Passive Sensoren Drahtlos versorgt und abgefragt

Sensoren, die ohne eigene Stromversorgung Messungen vornehmen und berührungslos ihre Daten an eine Auswertestation übermitteln, werden dort eingesetzt, wo es nach dem Einbau keinen Zugang zum Sensor mehr gibt oder eine Verkabelung ausgeschlossen ist. Der Artikel beschreibt eine Sensorsystem, indem die Energie induktiv bei der RFID-Frequenz 13,56 MHz mit wenigen Zentimeter großen Loop-Antennen übertragen wird.

Sensoren, die ohne eigene Stromversorgung Messungen vornehmen und berührungslos ihre Daten an eine Auswertestation übermitteln, werden dort eingesetzt, wo es nach dem Einbau keinen Zugang zum Sensor mehr gibt oder eine Verkabelung ausgeschlossen ist. Das trifft auf den Einbau im Inneren eines Maschinenteils, unter der Haut oder hinter Bausubstanz ebenso zu wie bei beweglichen Teilen, bei hohem Verschleiß oder Dichtigkeit. In diesem Artikel wird eine Systemlösung für kurze Distanzen beschrieben. Die Energie wird induktiv bei der RFID-Frequenz 13,56 MHz mit wenigen Zentimeter großen Loop-Antennen übertragen.

Als Sender dient ein 2-Watt-Klasse-E-Verstärker mit einem Wirkungsgrad von über 80 Prozent; Sender und Antennen müssen optimiert aufeinander abgestimmt sein. So lassen sich dann z.B. Sensoren mit einem Verbrauch von 200 mW in 10 mm Abstand speisen. Der Artikel zeigt, wie Sender und Antennen entworfen und praktisch aufeinander abstimmt werden. Solche induktive Kopplungen sind in der Praxis als Schwingkreise mit hoher Güte ausgeführt haben. Der Nachteil: Sie sind schmalbandig und daher nur für eine Übertragung mit niedriger Datenrate verwendbar. Deshalb wird im vorliegenden System neben dem Sensor auch ein Funkchip im 2,4 GHz Band mitversorgt, der die Datenübertragung über eine kapazitive Kopplung mit 1 MBit/s oder mehr besorgt.

Moderne Funkchips haben heute einen Protokoll-Controller on Chip und benötigten weniger als 50 mW Leistung. Sie können daher als Erweiterung des passiven Sensors betrachtet werden. Die kleine kapazitive Antenne lässt sich in den induktiven Loop integrieren und besitzt eine größere Reichweite als die berührungslose Energieversorgung. Sobald die Abfragestation in den Nahbereich des Sensors gebracht wird, wird der Sensor und der Funkchip mit Energie versorgt - stabilisiert durch einen DC-DC-Wandler. Der Sensor beginnt sofort seine Messungen auszuführen und die Daten dem Funkchip zur Messwertübertragung zur Verfügung zu stellen.

Denkbar ist der Einsatz vieler Sensoren, bei denen physikalische Messgrößen wie Temperatur, Druck, Strom, usw. aus einem abgetrennten oder rotierenden Bereich gesammelt werden sollen oder - dank der hohen Übertragungsrate - auch zur Steuerung des Prozesses benützt werden. Das Verfahren kann auch in der medizinischen Telemetrie bei Menschen oder Tieren angewendet werden. Als dritter Bereich ist auch die periodische Abfrage von Sensoren in oder hinter baulichen Strukturen wie Wänden, Farbahnbelag oder Hochspannungsbereiche zu nennen.

Anwendungsbeispiel

Vor allem im medizinischen Bereich ist Hygiene von äußerster Wichtigkeit. Deshalb ist es bei Geräten, die dort zum Einsatz kommen, wichtig, dass diese hermetisch verschlossen sind. So können sie gereinigt und desinfiziert werden. Für den Betrieb im Datensammelmodus werden die Messgeräte mit Energie versorgt, wobei nur eine induktive Kopplung ohne Datenfunk notwendig ist. Wichtig ist ein möglichst guter Wirkungsgrad in der Energieübertragung, um die Versorgungsbatterie des Lesegerätes zu schonen. Werden die angesammelten Daten ausgelesen, z.B. beim Arzt, so kommt ein baugleicher Koppler mit zusätzlicher Datenschnittstelle zum Einsatz. Üblicherweise werden die Daten mit der aus der RFID-Technik bekannten Backscatter-Modulation übertragen [Fink]. Die Datenraten dabei sind aber systembedingt gering. Alternativ kann die Datenübertragung mittels Funk oder optisch realisiert werden. Letzteres ist jedoch wegen Verschmutzungsgefahr oft nicht von Vorteil. Bei Funk kann anstelle einer Antenne eine einfache kapazitive Kopplung über dieselbe Distanz wie für die Energie entsprechend Bild 1 eingerichtet werden.

Energie lässt sich effizient bezüglich Leistung und Baugröße nur über Schleifringe oder Magnetfelder übertragen. Unpraktisch sind niederfrequente Lösungen, welche Ferritmaterialen benötigen um ein genügendes Magnetfeld zu erzeugen und uninteressant sind die Kosten zur Herstellung von Spulen mit hoher Windungszahl. Bei höheren Frequenzen ist es notwendig die Abstrahlrichtlinien einzuhalten. Deshalb muss man auf geeignete lizenzfreie Funkbänder ausweichen, wie etwa das 13,56 MHz Band, welches auch aus dem RFID-Bereich bekannt ist [Fink]. Dafür kann jedoch mit einfachen auf PCB gedruckten Spulen gearbeitet werden. Höhere Frequenzen mit mehr als 20 MHz eignen sich wiederum wegen der hohen Absorption durch Materialien, z.B. Implantate, nicht.

Im Folgenden wird deshalb für die Energie mit induktiver Kopplung bei 13,56 MHz und für die Daten mit kapazitiver Kopplung bei 2400 MHz gearbeitet.