Ein batterieloser Funksensor überwacht die Hochstrom-Verteilung.

Ein batterieloser Funksensor überwacht die Hochstrom-Verteilung.Micropelt

Die Verbindungen zwischen Elementen von Hochstrom-Bussystemen und den Anschlüssen an Stromschienen in Verteilerschränken unterliegen Montageungenauigkeiten, Korrosion und Betriebsbeanspruchungen. Korrodierte oder lose gewordene Verbindungen und Anschlüsse führen stets zu verstärkter Erwärmung, bevor es durch Lastspitzen oder Schaltvorgänge zum fatalen Ausfall oder gar Brand kommt. „Solche Ausfälle können eine ganze Produktion lahmlegen und Millionenschäden verursachen, bevor der Schaden behoben ist,“ sagt Fabrice Huré, Leiter Installed Base Services von Schneider Electric. „Wir wollen unseren Kunden helfen, solche Risiken zu minimieren und zwar ohne die Nachteile herkömmlicher Verfahren“, so Huré weiter. Manuelle oder thermografische Prüfverfahren behindern meist die laufende Produktion, sie können nicht unter Volllast durchgeführt werden und lassen immer große zeitliche Lücken in der Überwachung. Faseroptische Temperatursensoren bieten galvanische Isolation und sind daher in der Mittelspannung akzeptiert, für Niederspannungs-Einrichtungen sind sie aber meist zu teuer. Das Nachrüsten konventionell verdrahteter Sensorik scheidet aufgrund hoher Kosten und langer Stillstandszeiten aus.

Technik im Detail: Energy Harvesting

Thermisches Energy Harvesting beruht auf dem seit 1827 bekannten Seebeck-Effekt. Frei verfügbare Abwärme wird vom Thermogenerator (TEG) in elektrische Energie gewandelt. Die Leistung reicht für die seit wenigen Jahren verfügbare Ultra-Low-Power-Mikroelektronik aus. Funksensoren und Mikrosysteme können damit oftmals ohne Batterien arbeiten. Oder aber deren Wartungszyklen lassen sich verlängern.
Die Thermoelektrik-Chips stellt Micropelt mithilfe einer patentierten Dünnschicht-Technologie auf Wafer-Basis her. Die Miniaturisierung bringt hohe Leistungsdichten und gut verwertbare Spannungen auf wenige Quadratmillimeter. Die Fertigungstechnologie entspricht weitgehend der von integrierten Schaltungen. Sie bietet also hohe Skaleneffekte, die bei großen Stückzahlen zu sinkenden Stückkosten und Preisen führen.

Mit Funk und energieautark

Drahtlose Temperaturüberwachung per Funk ist eine potenzielle Lösung, um sowohl geringe Kosten als auch eine praktisch lückenlose Überwachung von beliebig vielen Messpunkten in allen Lastsituationen zu erreichen. Ein Funksensor sollte klein, leicht und damit sowohl in Neuinstallationen als auch in der Nachrüstung schnell und einfach montierbar sein. Normale Funklösungen werden jedoch mit Batterien versorgt. Deren Austausch würde also unweigerlich zu erneuten, regelmäßigen Abschaltungen der elektrischen Einrichtungen und folglich zu Produktionsausfällen führen. „Aus diesen Gründen haben wir nach einer völlig autarken Energiequelle gesucht, die möglichst in einen kompakten, preiswerten Funksensor integrierbar sein sollte,“ erläutert Fabrice Huré weiter.

Energie ernten

Thermisches Energy Harvesting, kurz Thermoharvesting, war die geeignete Lösung. Denn die stets vorhandene Stromwärme wird hier in die zum Betrieb des Funksensors benötigte Energie umgewandelt. Micropelts Chip-Thermogeneratoren erzeugen 140 Millivolt pro Kelvin Temperatur-Unterschied. Damit bringt er aufgrund effizienter Wandlung ausreichend Leistung für Ultra-Low-Power-Funksysteme, die in Sekunden- bis Minutenabständen Arbeitszyklen durchführen.

Der TE-Qnode, ein Temperatursensor mit autarker thermoelektrischer Energieversorgung, der seine Betriebsenergie aus der Stromwärme des überwachten Leiters gewinnt, ist das Resultat der Kooperation zwischen der französischen Schneider Electric und Micropelt. Das Gerät wird mit einem Handgriff auf die Stromschiene geklemmt, wo ihn eine solide, auf die jeweilige Materialstärke einstellbare Kunststoffklammer dauerhaft in Position hält. Wenn die Temperatur des Leiterabschnitts am Einbauort 5 °C über der Umgebungstemperatur liegt, überträgt der Sensor sekündlich die gemessenen Temperaturen. „Es gibt keine schnellere oder günstigere Methode, die Sicherheit und Zuverlässigkeit in Stromverteilungen deutlich zu erhöhen, bei Neusystemen ebenso wie in der Nachrüstung“, kommentiert Dr. Joachim Nurnus, Micropelts CTO und Chefentwickler.

Energie gut einteilen

„Der Applikationsnutzen ist ebenso offensichtlich wie der Bedarf für laufende Zustandsüberwachung“, erläutert Burkhard Habbe, Leiter Business Development bei Micropelt. „Nun wollen wir in Kooperation mit Systemherstellern kommerzielle Funksensor-Systemlösungen erstellen, die in Standard-Infrastrukturen und -Protokolle eingebunden sind, und dem Kunden somit unmittelbaren Nutzen bringen.“ Bisher nutzt der Sensor Micropelts vereinfachtes Funkprotokoll, das ausschließlich für die Evaluation und zur Ermittlung von Energiebudgets sowie auf möglichst geringen Energiebedarf hin entwickelt wurde. „Echte Produktiv-Lösungen,“ erläutert Habbe, „werden auf Standard- oder proprietäre Hardware und Protokolle mit etwas höherem Energiebedarf setzen, aber der Qnode zeigt genau, für wie viele Messzyklen pro Stunde die geerntete Energie reichen wird.“