Batterie- und kabellose Sensoren überwachen zuverlässig Maschinen, Bahnräder und Überlandleitungen

Siemens-Forscher haben Sensoren entwickelt, die ganz ohne Stromversorgung auskommen. Kabelverbindungen oder Batterien sind überflüssig. Dadurch lassen sich die Messfühler sogar an rotierenden Teilen – etwa an Bahnrädern oder in Turbinen – einsetzen oder sie können Überlandleitungen vor Kurzschlüssen schützen. Statt aktiv Messdaten unter Energieverbrauch an eine Zentrale zu senden, reflektieren die Sensoren einfach das Funksignal einer Basisstation, wobei die Messdaten das zurückgesandte Signal charakteristisch verändern. Diese Technologie reduziert den Wartungsaufwand erheblich.

Eines haben bislang die meisten Sensoren gemeinsam – sie verbrauchen Strom. Die modernen Hightech-Fühler ziehen ihre Energie aus einer Batterie oder sind per Kabel mit einer Zentrale verbunden. Verkabelte Sensoren kommen allerdings für einige Einsatzgebiete nicht in Frage, etwa für die Montage auf einem rotierenden Teil wie dem Rad einer Eisenbahn. In diesem Fall speisen Batterien die Sensoren. Die aber müssen regelmäßig ausgetauscht werden, wenn man sicherstellen will, dass sie kontinuierlich funktionieren. Die Folge: ein hoher Wartungsaufwand. Um hierfür eine Lösung zu finden, haben Forscher von Siemens Corporate Technology (CT) ein Sensorsystem entwickelt, das ohne Strom auskommt und unterschiedlichste Parameter messen kann.

Das Grundprinzip ist stets gleich. Der Sensor empfängt ein Funksignal, eine Trägerfrequenz im Mikrowellenbereich von 2,5 Gigahertz (GHz, 2,5 Milliarden Schwingungen pro Sekunde) und reflektiert diese zurück zum Sender. Je nachdem, in welchem Zustand sich der Sensor befindet, verändert sich das reflektierte Funksignal – zum Beispiel hervorgerufen durch mechanische Schwingungen an einem drehenden Teil. Diese Vibrationen wandelt der Sensor über ein Piezoelement – das ist eine spezielle Keramik – in elektrische Spannungsänderungen um. Gerät der Sensor in Schwingungen, erzeugt der Piezo-Kristall elektrische Spannungsänderungen, die das Funksignal charakteristisch verändern: Die von der Basisstation eintreffenden Wellen werden kurzzeitig im Takt der Spannungsänderungen ein wenig verschoben – die Experten sprechen von „Phasenverschiebung“. Das Bauelement, in dem dies passiert – der so genannte Modulator – fungiert zugleich als Reflektor des Signals. Das von ihm zurückgeworfene Signal spiegelt daher den Rhythmus der Vibrationen eines Bauteils wider. Schäden lassen sich an einem solchen charakteristischen Muster erkennen.

„Zwar existieren bereits kleine Funkeinheiten, die sich durch Hochfrequenzenergie anregen lassen und ganz ohne eigene Stromquelle Signale senden“, sagt Daniel Evers, bei CT zuständig für die Entwicklung der neuen Funksensoren. „Die haben aber meist nur eine Reichweite von unter einem Meter.“ Das gilt beispielsweise für Identifikationsetiketten auf Waren oder Gepäckstücken, die ihr Erkennungssignal an ein Lesegerät senden. Die Funksensoren von Evers hingegen schicken die Funknachricht mehr als zehn Meter weit. Sie sind in der Lage, nicht nur Identifikations-Nummern zu übertragen, sondern eben auch Sensorsignale wie Schall oder Vibration. Darüber hinaus bestehen sie aus herkömmlichen elektronischen Komponenten, die zugleich robust und billig sind.

Die Kunst der Entwickler lag weniger in der Fertigung raffinierter Bauteile, als vielmehr in ihrer Feinabstimmung. So muss der Modulator die Funksignale sauber verarbeiten und verzerrungsfrei an die Basis zurücksenden. Andernfalls erhält man ein undeutliches Signal. Evers: „Dabei darf es nicht so sein wie bei einem Lautsprecher, den man zu weit aufdreht und der irgendwann statt der Musik nur noch Gekrächze von sich gibt.“ Evers betont, dass sich das Funksystem nicht nur für die Überwachung von Maschinen oder Schienenfahrzeugen, sondern auch von Hochspannungsanlagen eignet. So ließe sich zukünftig etwa die Temperatur von Überlandleitungen überwachen. Erhitzen sich die Starkstromkabel zu stark, etwa an heißen Tagen oder wenn viel Strom fließt, hängen sie weiter durch. Dadurch erhöht sich die Gefahr, dass sie Bäume berühren und ein Kurzschluss entsteht – ähnlich dem, der in den USA im August 2003 zu einem großflächigen Stromausfall führte. Sensoren mit Kabel sind für solche Anwendungen ungeeignet, da die Kabel zu einem Spannungsüberschlag führen würden. Wartungsarme Sensoren hingegen, die ohne Kabel und Batterie auskommen, wären für solche extremen Anwendungen optimal geeignet, betonen die Forscher. Das in Kooperation mit Wissenschaftlern der Technischen Universität Clausthal entstandene Funksystem hat seine Funktionstüchtigkeit bereits bewiesen und soll in naher Zukunft zur Produktreife gebracht werden.