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Drahtlose Strukturüberwachung

Relevanz der Thematik

Die Strukturüberwachung mittels Dehnungsmessung ist eine weit verbreitete Technik, die bereits vielfach in der Industrie eingesetzt wird. Beispielsweise lässt sich die Gewichtskontrolle von Silos über eine Dehnungsmessung durchführen, auch eine permanente Kontrolle von wichtigen Trägerelementen an Bauwerken wie Brücken, Gebäude, Werkzeugen etc. auf Deformationen und Verformungen zur Erhöhung der Sicherheit ist üblich. 

Beim Testen von komplizierten Metallteilen wird die Deformation durch eine Dehnungsmessung kontrolliert. Für eine solche Kontrolle werden die Dehnungsmesssensoren, sogenannte Dehnungsmessstreifen (engl. Strain Gage), eingesetzt. Häufig besitzen die zu überwachenden Stellen eine Größe von mehreren Metern, wodurch der Verkabelungsaufwand beim Einsatz mehrerer Sensoren sehr groß wird. Bei komplizierten mechanischen Messstellen, die sich teilweise auf rotierenden Teilen befinden, wird der Einsatz von Anschlusskabeln ebenfalls erschwert oder ist gar nicht möglich. Daher ist die Entwicklung einer Lösung für den parallelen Einsatz von mehreren Sensoren auch an schwer erreichbaren Stellen für viele Überwachungsaufgaben von Bedeutung.

Anforderungen an den Sensor

  • Anschluss einer Viertel- oder Halbbrücke mit Dehnungsmessstreifen.
  • Digitale Bearbeitung von Messdaten, kompensieren des Temperatureinflusses und der Nichtlinearität des Sensors.
  • Übertragen von Messdaten per Funk in einem ISM-Frequenzband.
  • Gewährleisten der autonomen Arbeit des Sensors über mindestens ein Jahr ohne Austausch der Batterie.
  • Eine sichere Datenübertragung mit einem Mindestabstand von 50 Metern bis zur Empfangstation.
  • Verwenden des Übertragungsstandards, der einen sicheren Datentransfer auch in industriellen, verrauschten Umgebungen erlaubt.
  • Entwicklung einer Empfangsstation, die den Empfang von Messdaten von mehreren Sensoren gewährleistet.
  • Möglichkeiten zu einer graphischen oder tabellarischen Darstellung von Messdaten auf dem Rechner mit angeschlossener Empfangsstation.

Problem

Das Ziel dieses Projekt ist die Entwicklung eines Messsystems, welches die durch einzelne Sensoren ermittelte Dehnung in eine digitale Form umwandelt und drahtlos zu einer Empfangsstation sendet. Eine drahtlose Kommunikation ermöglicht den kompletten Verzicht auf die teureren und aufwendigeren Verkabelungsarbeiten. Außerdem werden die Messdaten in diesem Fall direkt an der Messstelle digitalisiert und nicht durch Rauschen oder Spannungsabfall in einem langen Kabel verfälscht. Die Verwendung von modernen Übertragungsprotokollen erlaubt es, die Messdaten von mehreren Sensoren auch in industriellen, verrauschten Umgebungen sicher zu übertragen. Die Wahrscheinlichkeit von Datenkollisionen und Datenverlust wird dadurch erheblich reduziert.

Für die Übertragung der Daten sollen entsprechende standardkonforme Transceiver eingesetzt werden. Die koordinierte Funktionsweise von allen Sensorblöcken wird mittels eines Mikrokontrollers gesteuert, der auch die digitale Signalbearbeitung übernimmt. Das Empfangen von Messdaten von mehreren Sensoren lässt sich mittels eines Empfängers (Basisstation) realisieren. Die Darstellung der ermittelten Messdaten in einer tabellarischen oder grafischen Form erfolgt  mithilfe der entsprechenden Software auf dem Rechner.

Beim Verzicht auf das Signalkabel ist auch die externe Energieversorgung des Sensors nicht mehr möglich. Diese erfolgt dann mittels einer Batterie, die möglichst eine Funktionsdauer von mehreren Jahren garantieren soll. Das lässt sich nur durch Verwendung von modernen energiesparenden Bauelementen und Algorithmen erreichen.

Besonders effizient ist die Verlängerung der autonomen Arbeitszeit des Sensors durch zusätzliche Energiegewinnung aus der Umgebung. Je nach Umgebungsbedingungen sind dafür Verfahren wie Thermogeneratoren, Vibrogeneratoren etc. einsetzbar. Die größte Verbreitung finden aufgrund ihrer Universalität die Solarzellen. Da in letzter Zeit einige Solarzellen auf dem Markt gekommen sind, die auch unter schwierigen Lichtbedingungen einen hohen Wirkungsgrad erzielen, werden Solarzellen zunehmend beliebter. Im Idealfall kann damit auch die komplett autarke Funktionsweise des Sensors ohne jeglichen Batterieaustausch garantiert werden

Sensoraufbau

Als Basis für die drahtlose Datenübertragung wurde das ISM-Frequenzband 2,4 GHz benutzt. Der Frequenzbereich 2,4 GHz ist weltweit für die drahtlose Datenübertragung ohne zusätzliche Lizensierung zur Verfügung gestellt. Es existiert bereits eine Reihe von Transceiver-ICs, die in diesem Frequenzband arbeiten und eine hohe Funktionalität bieten. Der Aufbau des Sensors basiert auf dem Transceiver CC2500 von Texas Instruments und einem proprietären Datenübertragungsstandard "SimpliciTI". Dieser Standard wurde auch von Texas Instruments entwickelt und den Anwendern frei zur Verfügung gestellt.  Zusammen  soll dies eine sichere und energieeffiziente Datenübertragung in sternförmigen Netzen mit einer kleinen Anzahl von Sensorknoten (10 bis 50) gewährleisten.

Nach dem Testen und Implementieren der Datenübertragung soll ein Energiebudget des Sensors ermittelt werden und eine passende Solarzelle zur ausreichenden Energieversorgung getestet werden.

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