DE202009008655U1

DE202009008655U1 - Hair-shaped sensor for moving fluids for operation with RFID technology

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Publication number: DE202009008655U1
Application number: DE200920008655
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2019-06-20

Abstract

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.Hair-shaped sensor for moving fluids for operation with RFID technology, characterized in that an annular support R, the membrane-shaped bending plate F, the sensor hair H, the rotationally symmetric bending lever W, the strain gauges DMS and the elastic hood S represent a constructive unit.

Description

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.The The invention relates to a sensor, the information about flow conditions in analog Transform electrical signals and radio waves to a base station can send. In this case, a fluidic action causes the deflection a hair-shaped Fiber attached to its base with a flexible membrane is. The deformation of the membrane is with commercially available strain gauges can be evaluated in terms of information technology. The analog measurement signal is with RFID technology is technically portable. Several sensors can be formed into a crowd.

Stand der Wissenschaft und TechnikState of science and technology

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.Biology. marine mammals possess so-called Vibriss (sense hairs) with which they perceive flow phenomena can for example, to track the whirling trail of prey animals. by virtue of The fluidic action forces act on the sensory hair. These become (mechanically) over the shaft of the hair to the sensitive nerve cells of the skin of the Being transmitted. The Stimulation information is processed there.

Bionik. Biologische Sinneshaare sind von naturwissenschaftlichem Interesse; sie können darüber hinaus Ingenieurwissenschaftlern als Motiv dienen, künstliche Strömungssensoren nach dem Vorbild der Vibrissen zu entwickeln.Bionics. Biological sensory hair is of scientific interest; you can about that In addition, engineering scientists serve as a motif, artificial flow sensors to develop on the model of the Vibrissae.

Sensorik. In der Strömungsmesstechnik sind u. A. mechanische und thermische Sensorelemente gebräuchlich, deren elektrischer Widerstand mittelbar vom Strömungsfeld abhängt. Durch Messung und Auswertung der elektrischen Größen kann so beispielsweise auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden.Sensors. In flow measurement are u. A. mechanical and thermal sensor elements in use, whose electrical resistance depends indirectly on the flow field. By Measurement and evaluation of the electrical quantities can be so for example closed to the flow rate become.

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 Widerstandsänderungen bei DMS.DMS. Strain gauges (DMS) change at small deformations (by Zugbeaufschlagung) their electrical Resistance. They are therefore used as strain sensors. to Analysis of complex load conditions On the component several strain gauges are interconnected. The Wheatstone bridge circuit is the preferred circuit for measuring resistance changes at 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 arbeitenden RFID-Chips sind R-L-C-Schwingkreise, die prinzipiell einer Manipulation (beispielsweise durch Änderung des ohmschen Widerstands R des Schwingkreises) zugänglich sind. Zusandsänderungen der inneren Schaltungsbauteile des RFID-Chips können (prinzipiell) Gegenstand einer für RFID-Systeme üblichen Kommunikation zwischen Sender und Empfängern sein.RFID technology. Radio Frequency Identification (RFID) makes it possible to find items that equipped with an RFID transponder (electronic data storage) are contactless and clearly identifiable. A chip of the as Data memory communicates, communicates via radio with a base unit. RFID systems consist of one or more transponders and at least one Acquisition device. In the reception area of the reader is triggered by the transponder mutual communication. Both equipment have coupling elements (Antennas). The energy and data exchange is done by magnetic or electromagnetic waves. The functional principle of the analog working RFID chips are R-L-C resonant circuits that are in principle a manipulation (for example by change the ohmic resistance R of the resonant circuit) are accessible. Zusandsänderungen The inner circuit components of the RFID chip can (in principle) subject one for RFID systems usual Communication between sender and receivers.

Rennyachten. Der Betrieb von Fadensonden (qualitative Analyse durch Beobachter) am Rigg sind Stand der Technik.Racing yachts. The operation of thread probes (qualitative analysis by observers) on the rig are state of the art.

ProblembeschreibungProblem Description

Für Seefahrzeuge in Fahrt, in besonderem Maße bei Regattayachten und Rennjollen sind Informationen über Strömungszustände in der direkten Nähe des das Unterwasserschiff umgebenden Mediums und in der das Rigg umströmenden Luft wichtiger Bestandteil taktischer Entscheidungen im Training und während einer Wettfahrt.For sea vehicles in motion, in particular Regatta yachts and racing dinghies have information about flow conditions in the close proximity of the submarine surrounding medium and in which the rig flowing around Air is an important component of tactical decisions in training and while a race.

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 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.Information about flow conditions will be according to the prior art from the analysis of measurement signals attached to the flow body Sensors won. Sensors that are not connected to cables with a receiving and evaluation are connected, require a transmitter. Such autonomous As a rule, sensors have their own (decentralized) design Power supply with a corresponding construction volume. Each to the sensor additional Construction volume of the measuring system, however, influences the flow itself, something in fluid mechanics is to be regarded as a disadvantage. This is especially the case if a larger number provided by sensors for flow analysis are.

ProblemlösungTroubleshooting

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.Of the hair like Sensor for Moving fluids for operation with RFID technology according to claim 1 solves the problem the decentralized power supply by making the system part the data transmission and energy supply based on RFID technology from the state of the art.

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.Of the hair like Sensor has a very low construction volume. He puts a mechanical Involvement in a change the ohmic resistance of several strain gauges according to the prior art around. Since the RFID technology works with the least amount of energy, may the change the ohmic resistance be low. The structural effort of Sensor is thus minimal.

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.There The RFID chip according to the prior art is in principle open to manipulation by change of the ohmic resistance R of the resonant circuit, the electric Signal (causal from the flow application the hair-shaped Sensor for moving fluids according to claim 1) influencing variable of the operating state of the RFID system and is the (described above) RFID communication process accessible.

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.The Processing a larger number of individual information from a crowd of simultaneously acting RFID transmitters is considered solved according to the prior art. The Construction principle of the hair-shaped sensor for moving Fluids for operation with RFID technology according to claim 1, as a design solution for differently scaled structural designs serve.

Erreichbare VorteileAchievable benefits

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.Of the hair like Sensor for moving fluids for operation with RFID technology according to claim 1 from a few, very reasonably priced Components. The combination with RFID technology makes this flow sensor only possible in the most primitive way.

Es ist (systembedingt) keine Digitalisierung des Messsignals notwendig.It is (due to the system) no digitization of the measurement signal necessary.

Ein Sensorsystem (bestehend aus haarförmiger Sensor und RFID-Chip) ist autonom.One Sensor system (consisting of hair-shaped sensor and RFID chip) is autonomous.

Die Sensorsysteme sind im Rahmen der Sendereichweite der RFID-Anlage beliebig auf der Oberfläche von Strömungskörpern platzierbar.The Sensor systems are within the transmission range of the RFID system arbitrarily on the surface placeable by flow bodies.

Mehrere Sensorsysteme sind zu Scharen formierbar.Several Sensor systems can be formed into flocks.

Die Komplexität des Gesamtsystems kann in die Software verlagert werden.The complexity of the entire system can be moved to the software.

Aufbau und WirkungsweiseStructure and mode of action

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.Of the hair like Sensor for moving fluids forms with a RFID chip according to the prior art organizational unit. The structural relationship between sensor and Chip is based on the type of RFID technology used Technology dependent.

In 2 ist schematisch der haarförmige Sensor dargestellt; 1 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt (der Basis) des haarförmige Sensors in einer schematischen Darstellung. Der 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 1) verbunden. Eine hochelastische Haube S aus handelsüblichem Silikon schützt das Sensorsystem gegenüber dem Fluid. 3 zeigt in einer Draufsicht schematisch eine Anordnung von Sensor und RFID-System in einer organisatorischen Einheit.In 2 is shown schematically the hair-shaped sensor; 1 shows an enlarged section (the base) of the hair-shaped sensor in a schematic representation. The annular support R and the membrane-shaped bending plate F form a cohesive unit. The sensor hair H and the rotationally symmetrical bending lever W are joined by adhesive bonding. Bend lever W and bending plate F are form-fitting joined (and can be manufactured in series production as a unit). The membrane-shaped bending plate F carries the strain gauges DMS; These are usually applied by gluing. Carrier R is above the bond K with the RFID chip (hatched in FIG 1 ) connected. A highly elastic hood S made of commercially available silicone protects the sensor system against the fluid. 3 shows in a plan view schematically an arrangement of sensor and RFID system in an organizational unit.

Wirkungsweise. Eine fluidische Beaufschlagung bewirkt eine Auslenkung des Biegehebels W, der seinerseits die membranförmige Biegeplatte F verformt (schematisch dargestellt in 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.Mode of action. A fluidic action causes a deflection of the bending lever W, which in turn deforms the membrane-shaped bending plate F (shown schematically in FIG 4 ). The contacts of the strain gauges are suitably linked to the RFID system according to the prior art such that a deformation of the membrane-shaped bending plate and a concomitant change in the ohmic resistances leads to a detuning of the resonant circuit of the RFID chip and a radio-portable measurement signal for a further processing is available.

Claims

Hair-shaped sensor for moving fluids for operation with RFID technology, characterized in that an annular support R, the membrane-shaped bending plate F, the sensor hair H, the rotationally symmetric bending lever W, the strain gauges DMS and the elastic hood S represent a structural unit.

hair shaped Sensor for Moving fluids according to claim 1, characterized in that in organizational Combination with RFID technology and transmission of an analogue measurement signal an autonomous flow sensor system arises.