Energy Harvesting in der Sensorik

Batterielose Funksensoren für IIoT und IoT

Um das Internet der Dinge (IoT) zur Zukunftstechnologie auszubauen, müssen Millionen kommunizierende Geräte weltweit mit Energie versorgt werden. Doch was, wenn Entfernung oder Einbaulage die Sensorwartung zum Alptraum machen? Dann könnten Datenerfasser helfen, die sich selbst dauerhaft mit Energie versorgen.

Bild: ©NaturePix/stock.adobe.com

Glücklicherweise sind erneuerbare Energien längst fester Bestandteil der Energiegewinnung. Felder mit Solarzellen, die aus Sonnenlicht Energie erzeugen, oder Windkraftanlagen prägen in vielen Bundesländern das Landschaftsbild. Diese Form der Energiegewinnung gibt es auch in kleinerem Maße, das sogenannte Energy Harvesting. Kleine Wandler ernten dabei Energie aus Bewegung, Licht oder Temperaturunterschieden. Diese Energiemengen reichen aus, um einen drahtlosen Sensor zu betreiben und Daten per Funk zu übertragen.

Mehr Nachhaltigkeit

Durch diese Energy Harvesting-Technologie werden Funksensoren nachhaltiger, da sie weder Kabel noch Batterien benötigen. Das ist umweltschonender und spart Kosten, denn obwohl der Batteriewechsel schnell geht, setzen sich die Arbeitskosten auch aus Anfahrt, Auffinden des Sensors, Gerätetestung und Dokumentation des Vorgangs zusammen. Oft wird den Batterien eine Lebensdauer von mehreren Jahren nachgesagt, doch in der Praxis tauschen die Wartungsunternehmen sie oft spätestens alle ein bis zwei Jahre aus, um einen frühzeitigen Ausfall zu vermeiden. Drahtlose Energy Harvesting-Sensoren können demnach eine ganze Reihe von unternehmerisch interessanten Aspekten adressieren.

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Im Einsatz für die Industrie

Sensoren haben eine Schlüsselfunktion in der industriellen Produktion. Sie können für die Qualitäts- und Prozessüberwachung oder die zustandsorientierte Wartung eingesetzt werden. Das Anwendungsspektrum ist breit gefächert und entwickelt sich durch den zunehmenden Einsatz von drahtlosen Sensoren in Richtung eines industriellen Internet der Dinge (IIoT). Durch die Kombination von energiesparendem Funk mit lokalen Energiewandlern können batterie- und damit wartungsfreie Sensoren auch an bewegten Teilen oder in hermetisch abgeschlossenen Umgebungen montiert werden, beispielsweise zur Messung der Position von mechanischen Teilen, der Stromaufnahme oder der Temperatur von mechanischen Teilen, Flüssigkeiten oder Gasen.

Sensoren für die Qualitätskontrolle

Die Qualitätsüberwachung dient dazu, den Produktionsprozess zu kontrollieren und die gewünschten Eigenschaften des Endprodukts anhand verschiedener Parameter sicherzustellen. Zu diesem Zweck müssen Umgebungsfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und Luftqualität oder Prozessfaktoren wie Position oder Temperatur überwacht werden. Automatisierte Überwachungssysteme benötigen Daten, die von Sensoren erzeugt werden. Dazu sollten sich Sensoren jedoch in die bestehenden Produktionsprozesse einfügen und keine Schulungen erfordern oder Folgekosten im laufenden Betrieb verursachen. Hier bietet die Integration von energieautarken und damit wartungsfreien Sensoren eventuell Vorteile.

Zustandsorientierte Wartung

Neben dem Produkt müssen auch die Maschinen überwacht werden, um den reibungslosen Produktionsablauf sicherzustellen. Da Maschinen oft einem hohen Verschleiß unterliegen, sind die frühe Erkennung von Problemen und entsprechende Gegenmaßnahmen eine wichtige Aufgabe in produzierenden Unternehmen. Ein grundlegendes Problem der Wartungsplanung ist die Berechnung der Intervalle zwischen den einzelnen Wartungszyklen. Einerseits muss die Zeit zwischen den Wartungsterminen so kurz wie möglich sein, um Abweichungen zu erkennen, bevor ein größeres Problem auftritt. Andererseits ist jede Wartung mit hohen Kosten für Personal und stillstehende Maschinen verbunden. In vielen Fällen ist es möglich, durch die Überwachung einiger weniger einfacher Parameter wertvolle Informationen zu erhalten. So kann beispielsweise ein Temperaturanstieg auf erhöhte Reibung und damit auf Verschleiß hinweisen. Für die Messvorgänge können drahtlose Temperatursensoren eingesetzt werden. Feuchtigkeitssensoren überwachen, ob Wasser ausläuft, um Wasserschäden zu vermeiden. Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren liefern auch Informationen über die Luftbedingungen, um stets eine gleichbleibende Luftqualität herzustellen. Auch hier könnten drahtlose Energy Harvesting-Sensoren wartungsarm Daten zuliefern.

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