Temperatur-Fernüberwachung UHF-Messtransponder für Temperaturen bis 170 °C

Die Entwicklung von UHF-Transpondersystemen zum Erfassen und Übertragen physikalischer Messgrößen wie Temperatur, Luftfeuchte oder Druck ist ein Arbeitsschwerpunkt im Fraunhofer Institut IPMS. Ein spezieller Schaltkreis des IPMS mit integriertem Temperatursensor ist auf Temperaturen bis 170 °C ausgelegt.

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Data Modul AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Der vom Fraunhofer Institut IPMS entwickelte Schaltkreis MWST1, besitzt für analoge und digitale Sensoren je ein Interface. Ein Temperatursensor ist bereits im Chip integriert. Vorausgesetzt, die Energie des Transpondersystems ist klein genug, lassen sich damit rein passive Systeme für verschiedene Anwendungen entwickeln. Die Koppelstelle des Transpondersystems mit der Umgebung ist die Antenne. Ihre Eigenschaften bestimmen im Wesentlichen die Performance des Gesamtsystems. Deshalb ist die Antennenanpassung der Schlüssel für den Erfolg.

Antennenanpassung für UHF-RFID-Transponder

Ein RFID-Transponder im UHF-Band verwendet eine Datenübertragung im Fernfeld. Die Transponder werden dafür mit einer entsprechenden Antenne ausgestattet. RFID-Chips haben aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften eine stark kapazitive Eingangsimpedanz. Um eine optimale Reichweite des Transponders zu erzielen, muss die Antenne an die Impedanz des Chips angepasst werden. Transponderantennen basieren meistens aus Abwandlungen von Dipolantennen. Über verschiedene in die Antenne integrierte Strukturen wird diese an den RFID-Chip angepasst. Als Beispiele sind die T-Anpassung oder eine induktiv gekoppelte Schleife zu nennen.

Neben Dipolantennen kommen auch sogenannte Slotantennen bei UHF-Transpondern zum Einsatz. Solche Antennen bestehen aus einem Schlitz in einer Metallfläche, damit eignen sie sich besonders für die Integration auf metallischen Objekten. Die Slotantennen werden analog zu Dipolantenne angepasst. Dabei entspricht die Strahlungscharakteristik von Dipol- und Slotantennen der eines Ringes. So kann der Transponder nahezu aus jeder Richtung ausgelesen werden.

Allerdings wird die Antenne von Materialien in der Umgebung beeinflusst. Nichtleitende Materialien sorgen für eine Verstimmung der Antenne und damit für eine Reduzierung der Transponderreichweite während leitende Materialien die Strahlungscharakteristik komplett verändern und die Antenne stark verstimmen, meistens ist eine Kommunikation dann nicht mehr möglich.

Die Antenne eines UHF-RFID-Transponders bestimmt maßgeblich die erzielbare Reichweite und Datenrate. Der Antennenentwurf erfordert ein umfangreiches Wissen auf dem Gebiet der Höchstfrequenztechnik, leistungsfähige Simulationstools sowie eine spezielle HF-Messtechnik. Das IPMS verfügt über diese Voraussetzungen und ist daher in der Lage, die Antennen für die kundenspezifischen Anwendungen optimal zu entwerfen und anzupassen.

Eine erste Anpassung der Antennen an den RFID-Chip wird dabei über Näherungsformeln durchgeführt, gefolgt von einer genauen Anpassung mit elektromagnetischer Simulationen und der Finite-Differenzen-Methode (FDTD) oder Finite-Elemente-Methode (FEM). Die Simulation der Antennen ermöglicht es, die Umgebung in das Antennendesign einzubeziehen. Somit lässt sich die Antenne speziell für einen Anwendungsfall oder eine Umgebung konzipieren. Im Antennenlabor des IPMS werden die erzielten Antennendaten experimentell bestimmt und mit den Ergebnissen der Simulationsrechnungen verglichen.

Temperaturüberwachung in Niederspannungsschaltanlagen

Die Firma Köhl hat sich auf die Produktion von Niederspannungsschaltanlagen spezialisiert. Eine solche Anlage ist für Betriebsströme von 4000 A ausgelegt. Dabei sind Kupferschienen mit ungefähren Längen von 300 m sowie 260 Verbindungsstellen in einer solchen Anlage verbaut.

Störungen, wie beispielsweise im extremsten Fall das Auftreten eines Störlichtbogens, führen oftmals zur Zerstörung der gesamten Anlage und fordern jährlich zahlreiche Menschenleben. Untersuchungen haben gezeigt, dass insbesondere die Verbindungsstellen an den Kupfer-Sammelschienen eine Hauptfehlerquelle darstellen. Im Laufe der Jahre kommt es an diesen Stellen aufgrund unterschiedlicher Ursachen zu einer zunehmenden Erwärmung. Neben der damit verbundenen Erhöhung der Verlustleistung stellt dieser Effekt auch ein enormes Gefährdungspotential dar. Die Alterungsprozesse treten in der Regel erst nach mehreren Jahren auf. Wenn der Alterungsprozess messtechnisch erfasst werden kann, so lässt sich durch geeignete Maßnahme die Energieeffizienz deutlich verbessern.

Für Höchsttemperaturen bis 170 °C ausgelegt

Ein erfolgversprechender Lösungsansatz besteht darin, an jeder Verbindungsstelle die Temperatur mit Hilfe eines UHF-RFID-Transponders und einem Temperatursensor zu erfassen und zentral anhand eines mathematischen Modells auszuwerten. Eine besondere Herausforderung besteht dabei darin, dass der Transponder bis zu Höchsttemperaturen von 170 °C zuverlässig funktionieren muss. Auf Grundlage dieser Ergebnisse ist es möglich, den Energiefluss in der Anlage so zu regeln, dass es zu keiner thermischen Überbelastung in einzelnen Bereichen kommt.

* * Prof. W.-J. Fischer, M. Heiß und H.-J. Holland arbeiten am Fraunhofer Institut für photonische Mikrosysteme in Dresden.

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