Die Erfindung betrifft einen Sensor, der Informationen über Strömungszustände in analoge elektrische Signale umformen und per Radiowellen an eine Basisstation senden kann. Dabei bewirkt eine fluidische Beaufschlagung die Auslenkung einer haarförmigen Faser, die an ihrer Basis mit einer flexiblen Membran verbunden ist. Die Verformung der Membran ist mit handelsüblichen Dehnungsmessstreifen informationstechnisch auswertbar. Das analoge Messsignal ist mit RFID-Technik informationstechnisch portierbar. Mehrere Sensoren sind zu einer Schar formierbar
Transactions in Bionic Patents. Vol. 003
Haarförmiger Sensor für bewegte Fluide zum Betrieb mit RFID- Technik
University of Applied Sciences Berlin, Germany
BIONIC RESEARCH UNIT
Transactions in Bionic Patents
Traktat über die Beiträge zu den "Transactions in Bionic Patents"
Die "Transactions in Bionic Patents" bilden eine Sammlung von Schriften zu
Patent- und Gebrauchsmusteranmeldungen im Themenfeld Biologie &
Technik die in loser Reihenfolge und Terminus erscheint.
Gegenstand der Beiträge zu den Schriften der "Transactions in Bionic
Patents" sind Gestaltungsfragen und die kritische Auseinandersetzung mit
aktuellen Themen der Bionik, also Technik nach Vorbildern aus der belebten
und unbelebten Natur und ihre patentrelevante Umsetzung.
Mit den "Transactions in Bionic Patents" soll der Fortschritt auf dem Gebiet
der angewandten Bionik dadurch gefördert werden, dass die dargestellten
Patente und Gebrauchsmuster frei von Rechten Dritter und mit ausdrücklicher
Genehmigung der Patentanmelder und Inhaber dem Leser dieser Schriften
zur Nutzung verfügbar werden.
Gleichzeitig wird ein tieferes Verständnis der Bionik innerhalb des Fachs und
der Öffentlichkeit her- und ein rezentes Problemfeld wirklichkeitsnah und
verständlich dargestellt. Als Übergeordneter Aspekt gilt es, Lösungswege der
Übertragung biologischer Phänomene zu untersuchen, auszuleuchten und
Fragestellungen die im Zusammenhang stehen mit Natur und Technik
nachzugehen sowie Forschung und Ausentwicklung zum Thema anzustoßen
Die Beiträge zur Schriftensammlung "Transactions in Bionic Patents" sind in
deutscher Sprache verfasst. Dem Text kann eine teilweise oder vollständige
Übersetzung in englischer Sprache beigestellt werden; Art, Umfang,
Anordnung und Organisation der Textteile sind dem Autor überlassen und
frei. Die englische Fassung soll den Umfang der deutschen Fassung nicht
überschreiten.
In einer Ausgabe der Schriftensammlung "Transactions in Bionic Patents"
soll nur ein Werk platziert werden. Der Text kann durch Abbildungen ergänzt
werden; die Bildrechte und andere Urheberrechte sind dabei zu achten.
Die jeweiligen Gebrauchsmuster- oder Patentschriften sind dem Anhang
beigefügt.
M. Dienst, Berlin.
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Haarförmiger Sensor für bewegte Fluide zum Betrieb mit RFID- Technik
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Technische Beschreibung
IPC G01P (2006.01) Gebrauchsmuster Nr. 20 2009 008 655.0
Titel:
Haarförmiger Sensor für bewegte Fluide zum Betrieb
mit RFID- Technik
Die Erfindung betrifft einen Sensor, der Informationen über
Strömungszustände in analoge elektrische Signale umformen und
per Radiowellen an eine Basisstation senden kann. Dabei bewirkt
eine fluidische Beaufschlagung die Auslenkung einer
haarförmigen Faser, die an ihrer Basis mit einer flexiblen Membran
verbunden ist. Die Verformung der Membran ist mit
handelsüblichen Dehnungsmessstreifen informationstechnisch
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Haarförmiger Sensor für bewegte Fluide zum Betrieb mit RFID- Technik
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auswertbar. Das analoge Messsignal ist mit RFID-Technik
informationstechnisch portierbar. Mehrere Sensoren sind zu einer
Schar formierbar.
Stand der Wissenschaft und Technik
Biologie. Meeressäuger besitzen so genannte Vibrissen
(Sinneshaare), mit denen sie Strömungsphänomene wahrnehmen
können um beispielsweise die Wirbelspur von Beutetieren zu
verfolgen. Aufgrund der fluidischen Beaufschlagung wirken Kräfte
auf das Sinneshaar. Diese werden (mechanisch) über den Schaft
des Haares zu den sensiblen Nervenzellen der Haut des Wesens
übertragen. Die Reizinformation wird dort weiterverarbeitet.
Bionik. Biologische Sinneshaare sind von naturwissenschaftlichem
Interesse; sie können darüber hinaus Ingenieurwissenschaftlern
als Motiv dienen, künstliche Strömungssensoren nach dem Vorbild
der Vibrissen zu entwickeln.
Sensorik. In der Strömungsmesstechnik sind u. A. mechanische
und thermische Sensorelemente gebräuchlich, deren elektrischer
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Widerstand mittelbar vom Strömungsfeld abhängt. Durch Messung
und Auswertung der elektrischen Größen kann so beispielsweise
auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden.
DMS. Dehnungsmessstreifen (DMS) ändern bei kleinen
Verformungen (durch Zugbeaufschlagung) ihren elektrischen
Widerstand. Sie werden daher als Dehnungssensoren eingesetzt.
Zur Analyse komplexer Belastungszustände am Bauteil werden
mehrere DMS verschaltet. Die Wheatstone'sche Brückenschaltung
ist die bevorzugte Schaltung zur Messung von Widerstands-
änderungen bei DMS.
RFID-Technik. Radio Frequency Identification (RFID) ermöglicht
es, Gegenstände, die mit einem RFID-Transponder (elektronischer
Datenspeicher) ausgestattet sind, kontaktlos und eindeutig zu
identifizieren. Ein Chip der als Datenspeicher dient, kommuniziert
hierzu über Funk mit einer Basiseinheit. RFID-Systeme bestehen
aus einem oder mehreren Transpondern und mindestens einem
Erfassungsgerät. Im Empfangsbereich des Lesegerätes wird durch
den Transponder eine wechselseitige Kommunikation ausgelöst.
Beide Geräte verfügen über Kopplungselemente (Antennen). Der
Energie- und der Datenaustausch erfolgt durch magnetische oder
elektromagnetische Wellen. Das Funktionsprinzip der analog
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arbeitenden RFID-Chips sind R-L-C-Schwingkreise, die prinzipiell
einer Manipulation (beispielsweise durch Änderung des ohmschen
Widerstands R des Schwingkreises) zugänglich sind. Zusands-
änderungen der inneren Schaltungsbauteile des RFID-Chips
können (prinzipiell) Gegenstand einer für RFID- Systeme üblichen
Kommunikation zwischen Sender und Empfängern sein.
Rennyachten. Der Betrieb von Fadensonden (qualitative Analyse
durch Beobachter) am Rigg sind Stand der Technik.
Problembeschreibung
Für Seefahrzeuge in Fahrt, in besonderem Maße bei
Regattayachten und Rennjollen sind Informationen über
Strömungszustände in der direkten Nähe des das Unterwas-
serschiff umgebenden Mediums und in der das Rigg
umströmenden Luft wichtiger Bestandteil taktischer
Entscheidungen im Training und während einer Wettfahrt.
Informationen über Strömungszustände werden nach dem Stand
der Technik aus der Analyse von Messsignalen aus an den
Strömungskörper angebrachten Sensoren gewonnen. Sensoren,
die nicht mit Kabeln mit einer Empfangs- und Auswerteeinheit
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verbunden sind, bedürfen einer Sendeanlage. Derart autonome
Sensoren besitzen in der Regel bauartbedingt eine eigene
(dezentrale) Stromversorgung mit einem entsprechendem
Bauvolumen. Jedes zum Sensor zusätzliche Bauvolumen der
Messanlage nimmt jedoch Einfluss auf die Strömung selbst, was in
der Strömungsesstechnik als Nachteil zu bewerten ist. Dies ist
insbesondere dann der Fall, wenn eine größere Zahl von
Sensoren zur Strömungsanalyse vorgesehen sind.
Problemlösung
Der haarförmiger Sensor für bewegte Fluide zum Betrieb mit
RFID- Technik nach Anspruch 1 löst das Problem der dezentralen
Stromversorgung dadurch, dass das System seitens der
Datenübertragung und Energieversorgung auf RFID- Technik vom
Stand der Technik aufsetzt.
Der haarförmiger Sensor hat ein sehr geringes Bauvolumen. Er
setzt eine mechanische Beaufschlagung in eine Änderung des
ohmschen Widerstands mehrer DMS-Messstreifen nach Stand der
Technik um. Da die RFID- Technik mit geringsten Energiemengen
arbeitet, darf die Änderung des ohmschen Widerstands gering
sein. Der strukturelle Aufwand des Sensors ist somit minimal.
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Da der RFID- Chip nach Stand der Technik prinzipiell offen ist
gegenüber Manipulationen durch Änderung des ohmschen
Widerstands R des Schwingkreises, wird das elektrische Signal
(ursächlich aus der Strömungsbeaufschlagung der haarförmiger
Sensor für bewegte Fluide nach Anspruch 1 ) Einflussgröße des
Betriebszustands des RFID- Systems und ist dem (oben
beschriebenen) RFID- Kommunikationsprozess zugänglich.
Die Verarbeitung einer größeren Zahl von Einzelinformationen aus
einer Schar von gleichzeitig agierenden RFID- Sendern gilt nach
dem Stand der Technik als gelöst.
Das Bauprinzip des haarförmigen Sensors für bewegte Fluide zum
Betrieb mit RFID- Technik nach Anspruch 1 kann als
Konstruktionslösung für unterschiedlich skalierte bauliche
Ausführungen dienen.
Erreichbare Vorteile
Der haarförmiger Sensor für bewegte Fluide zum Betrieb mit
RFID- Technik nach Anspruch 1 besteht aus wenigen, sehr
preisgünstigen Komponenten. Die Kombination mit RFID- Technik
macht diesen Strömungssensor primitivster Bauart erst möglich.
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Es ist (systembedingt) keine Digitalisierung des Messsignals
notwendig.
Ein Sensorsystem (bestehend aus haarförmiger Sensor und RFID-
Chip) ist autonom.
Die Sensorsysteme sind im Rahmen der Sendereichweite der
RFID- Anlage beliebig auf der Oberfläche von Strömungskörpern
platzierbar.
Mehrere Sensorsysteme sind zu Scharen formierbar.
Die Komplexität des Gesamtsystems kann in die Software
verlagert werden.
Aufbau und Wirkungsweise
Der haarförmiger Sensor für bewegte Fluide bildet mit einem
RFID- Chip nach Stand der Technik eine organisatorische Einheit.
Der bauliche Zusammenhang von Sensor und Chip ist von der Art
der verwendeten RFID- Technik nach Stand der Technik
abhängig.
In Figur 2 ist schematisch der haarförmige Sensor dargestellt;
Figur 1 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt (der Basis) des
haarförmige Sensors in einer schematischen Darstellung. Der
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ringförmige Träger R und die membranförmige Biegeplatte F
bilden eine stoffschlüssige Einheit. Das Sensorhaar H und der
rotationssymmetrische Biegehebel W sind durch Klebung
stoffschlüssig gefügt. Biegehebel W und Biegeplatte F sind
formschlüssig gefügt (und können in der Serienherstellung auch
als Einheit gefertigt werden). Die membranförmige Biegeplatte F
trägt die Dehnungsmessstreifen DMS; diese werden üblicherweise
durch Klebung aufgebracht. Träger R ist über die Klebung K mit
dem RFID- Chip (schraffiert in Figur 1 ) verbunden. Eine
hochelastische Haube S aus handelsüblichem Silikon schützt das
Sensorsystem gegenüber dem Fluid. Figur 3 zeigt in einer
Draufsicht schematisch eine Anordnung von Sensor und RFID-
System in einer organisatorischen Einheit.
Wirkungsweise. Eine fluidische Beaufschlagung bewirkt eine
Auslenkung des Biegehebels W, der seinerseits die
membranförmige Biegeplatte F verformt (schematisch dargestellt
in Figur 4). Die Kontakte der Dehnungsmessstreifen sind in
geeigneter Weise mit dem RFID- System nach Stand der Technik
derart verknüpft, dass eine Verformung der membranförmigen
Biegeplatte und eine einhergehende Änderung der ohmschen
Widerstände zu einer Verstimmung des Schwingkreises des RFID-
Chips führt und ein über Funk portierbares Messsignal für eine
Weiterverarbeitung zur Verfügung steht.
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Schutzansprüche
1.
Haarförmiger Sensor für bewegte Fluide zum Betrieb mit
RFID-Technik dadurch gekennzeichnet, dass
ein ringförmiger Träger R, die membranförmige Biegeplatte
F, das Sensorhaar H, der rotationssymmetrische Biegehebel
W, die Dehnungsmessstreifen DMS und die elastische
Haube S eine konstruktive Einheit darstellen.
2.
Haarförmiger Sensor für bewegte Fluide nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
in organisatorischer Kombination mit RFID-Technik und
Übertragung eines analogen Messsignals ein autonomes
Strömungs-Sensorsystem entsteht.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Gegenstand dieser bionischen Erfindung?
Es handelt sich um einen haarförmigen Sensor für bewegte Fluide, der Strömungsinformationen in analoge elektrische Signale umwandelt und per RFID-Technik sendet.
Wie funktioniert der haarförmige Sensor technisch?
Eine haarförmige Faser wird durch eine Strömung ausgelenkt. Diese Faser ist mit einer flexiblen Membran verbunden, deren Verformung durch Dehnungsmessstreifen ausgewertet wird.
Welches biologische Vorbild liegt dem Sensor zugrunde?
Das Vorbild sind Vibrissen (Tasthaare) von Meeressäugern, mit denen diese feinste Strömungsänderungen im Wasser wahrnehmen können.
Welche Rolle spielt die RFID-Technik bei diesem Sensor?
Die RFID-Technik ermöglicht die kabellose Übertragung der Messsignale an eine Basisstation, was den Sensor besonders flexibel einsetzbar macht.
Was sind die „Transactions in Bionic Patents“?
Es ist eine Schriftensammlung der Bionic Research Unit der HTW Berlin, die Patent- und Gebrauchsmusteranmeldungen im Bereich Biologie und Technik veröffentlicht.
Können mehrere dieser Sensoren zusammen verwendet werden?
Ja, mehrere Sensoren können zu einer Schar formiert werden, um komplexe Strömungsfelder großflächig zu erfassen.
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- Dipl.-Ing. Michael Dienst (Author), 2012, Transactions in Bionic Patents - Haarförmiger Sensor für bewegte Fluide zum Betrieb mit RFID-Technik, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/204927
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