Sensorplattform Jederzeit messbereite Sensoren sind völlig unabhängig

Autor / Redakteur: Hans-Jürgen Holland * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Ein um Sensoren erweiterter Transponder erfasst zusätzliche Informationen über Objekte und ihre Umgebung. Die notwendige Energie und eine bilaterale Datenübertragung werden drahtlos realisiert.

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Sie sind jederzeit messbereit: Die Platine eines Sensortransponders (links oben). Ein Temperatur-Transpondersensor ist im Straßenbelag eingebracht.
Sie sind jederzeit messbereit: Die Platine eines Sensortransponders (links oben). Ein Temperatur-Transpondersensor ist im Straßenbelag eingebracht.
(Fraunhofer IPMS)

Die verfügbaren elektrischen Sensoren ermöglichen heute eine sehr effiziente und kostengünstige Aufnahme von Messwerten. Gerade in letzter Zeit wurden eine Reihe von sehr kleinen energiesparenden Sensorelementen auf den Markt gebracht, um Temperatur, Druck oder Feuchte zu erfassen. Diese werden in Kontroll- und Steuerungen von Systemen eingebaut und erfüllen dort zuverlässig ihre Funktion. Für Kontrollzwecke oder zur Fehleranalyse lassen sich die Messfunktion im Inneren von Objekten implementieren. Hier kommt es darauf an, wie die Energiebereitstellung erfolgt.

Für eine begrenzte Zeit ist eine eingebaute Energiequelle die Lösung. Eine weitere Möglichkeit wäre es, die Energie durch so genanntes Harvesting im Objekt zu gewinnen. Dazu müssen für den Anwendungsfall geeignete Energieträger, wie beispielsweise mechanische Energie in Form von Vibration oder Schwingungen oder thermische Energie, in ausreichender Größe zur Verfügung stehen. Die Systeme stehen nur dann zur Verfügung, wenn sie im Vorfeld genug Energie geerntet haben.

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Energie drahtlos zum Sensor übertragen

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Energie drahtlos gleich mit zu übertragen. Damit könnte ein interner Akkumulator drahtlos aufgeladen und so Energie für Messzwecke gespeichert werden. Für kurze Kontrollmessungen und für die Untersuchung von Fehlerquellen ist die Transpondertechnolgie allerdings besser geeignet. Bei dieser Technik wird sowohl die notwendige Energie- als auch die bilaterale Datenübertragung drahtlos realisiert.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS mit Sitz in Dresden hat dafür eine spezielle Anwender-Plattform entwickelt. Je nach Einsatzgebiet stehen hier Systeme unterschiedlicher Trägerfrequenzen zur Verfügung. In einer Umgebung mit einem sehr hohen Feuchteanteil, wie es auch der menschliche Körper mit 80% Wassergehalt darstellt, kommen vor allem die induktiv gekoppelten LF- (Low-Frequency-)Systeme zum Einsatz. Für Anwendungen, bei denen Entfernungen von einigen Metern überbrückt werden müssen, stehen die elektromagnetischen Systeme der UHF- (Ultra-High-Frequency-)Transponder zur Verfügung. Die sensorbasierten Transpondersysteme werden bei der Herstellung der Objekte mit verbaut und sind dann lebenslang messbereit.

Beliebige externe Sensoren anschließen

Der Sensortransponder selbst besteht aus der Antenne, dem Transponder-Chip und dem Sensor. Die geforderte Reichweite bestimmt die Größe und Art der Antenne und damit letztendlich die Größe des Transponders. Bei Scheckkarten-Größe können beispielsweise Reichweiten von mehreren Metern überbrückt werden.

Der am Fraunhofer IPMS entwickelte Chip besitzt einen internen Temperatursensor, der Temperaturen bis 175 °C messen kann. Über die integrierte I²C- oder SPI-Schnittstelle können beliebige externe Sensoren angeschlossen werden. Wichtig dabei ist, dass der Energieverbrauch der Sensoren klein genug ist. Spitzenströme werden durch Pufferkondensatoren überbrückt. Auch analoge Messwerte externer Sensoren können vom Chip verarbeitet werden. Über einen integrierten Spannungsregler werden die Sensoren mit Energie versorgt.

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Wenn Sensoren miteinander kommunizieren

Für die Sensor-Kommunikation verwenden die Wissenschaftler am Fraunhofer IPMS in Dresden ISO-Standard-Protokolle. Lösungen gibt es für alle etablierten Frequenzen. Bei den magnetisch gekoppelten Systemen von 125 kHz und 13,56 MHz sind Anwendungen in Flüssigkeiten möglich. Die Entfernung des Sensors zum Reader beträgt bis zu einem halben Meter. Die elektromagnetisch gekoppelten Systeme im UHF-Bereich von 850 bis 950 MHz und im Mikrowellenbereich bei 2,45 GHz zeichnen sich durch Reichweiten von mehreren Metern aus.

Muster für die Erfassung der Temperatur, des Luftdrucks und der Feuchte sind verfügbar. Für weitere Sensoren müssen die Transponder aufgebaut und der Messablauf im Chip umprogrammiert werden. Für die Messwertübertragung werden nur Kommandos des EPC-Standards verwendet, so dass jeder Standard konforme UHF-Reader genutzt werden kann. Für eine Reihe von Readern gibt es bereits eine PC-Software für die Aufbereitung und Anzeige der Messwerte.

Verschiedene Szenarien für die Sensoren

Anwendung finden die drahtlosen Sensorsysteme bespielsweise im Baubereich. Hier lässt sich die Feuchtigkeit im Mauerwerk, hinter einer Trockenbauwand oder im Estrich bestimmen. Dazu werden die Transponder während der Bauphase an definierte kritische Stellen eingebaut und sind dann bei Bedarf immer messbereit. Wird die Temperatur ebenfalls gemessen, kann so der Taupunkt im Mauerwerk ermittelt werden. Durch eine turnusmäßige Kontrolle lassen sich so frühzeitig Schwachstellen identifizieren und aufwendige Reparaturen vermeiden.

Bereits erfolgreich eingesetzt wird das System in Schaltschränken. Hier überwachen sie die Temperatur an Verbindungsstellen bei Stromschienen. Bei Strömen von über 4000 Ampere führt schon eine geringe Erhöhung des Überganswiderstandes dieser Verbindungen zu einem deutlichen Temperaturanstieg. Mit dem vom Fraunhofer IPMS entwickelten Transpondersystem lassen sich Energieverluste minimieren und Wartungsarbeiten gezielt planen. Auch bei Fahrzeugen des Winterdienstes könnte diese Technik eingesetzt werden. Sind entsprechende Transponder im Straßenbelag eingebaut, kann das Fahrzeug beim Überfahren die Temperatur messen und gezielt Streumittel einsetzen.

Lebenslange Energie bei Implantaten

Ein weiteres mögliches Anwendungsfeld sind intelligente Implantate, um Funktionen des menschlichen Körpers wiederherzustellen oder um bei akuten Schmerzen Linderung zu verschaffen. Dabei ist besonders wichtig, dass die Energiequelle weder ausgetauscht noch aufgeladen werden muss. Bei Kontrollmessungen in größeren Abständen, die ein Leben lang nötig sind, kann mit einem externen Reader die Messung ausgelöst und die ermittelten Werte empfangen werden.

Das Fraunhofer IPMS arbeitet seit mehreren Jahren an der Entwicklung einer implantierbaren Sensorik zur Erfassung der Lockerung von Hüftendoprothesen. Einmal implantiert, ist die Sensorik dauerhaft messbereit und erspart dem Patienten nicht zwingend notwendige Eingriffe.

* Hans-Jürgen Holland ist Deputy Head of Business Unit WMS am Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems in Dresden.

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