HySeP: Innovatives Plattformkonzept für komplexe Multisensorsysteme

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HySeP: Innovatives Plattformkonzept für komplexe Multisensorsysteme

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Idee zur HySeP-Sensorplattform

Zusammen mit den Partnern KIT, Hochschule Karlsruhe und Systec GmbH hat GED das vom BMBF geförderte Forschungsprojekt HySeP (Hybrid Sensor Plattform) erfolgreich abgeschlossen. Das Unternehmen konnte dabei einmal mehr seine Kompetenzen in Sachen Miniaturisierung, Integration von Mechanik und Elektronik, Gehäuseentwicklung und Simulation unter Beweis stellen.

Gemeinsames Ziel der Projektpartner war die Erforschung eines multivalenten, echtzeitfähigen Plattformkonzepts zum Anschluss mehrerer Sensoren. Das Konzept sollte mit angepassten, gassensitiven Wirkschichten und durch den Einsatz neuartiger Signalauswertealgorithmen präzise Informationen über Gaszustände in der Umgebung (z. B. giftig, Gefahr, Brand) liefern und so vor allem die Erkennung von Brand- und Gasmustern ermöglichen.

Entwicklungen und Untersuchungen von GED

Aufgabe von GED war es insbesondere, die Aufbereitung der hochdynamischen Sensorsignale zu erforschen, die der 4-fach MOX-Sensor liefert. Darüber hinaus übernahm GED die wesentlichen Untersuchungen und Entwicklungsarbeiten zum Aufbau des Sensorsystems hinsichtlich der Partitionierung der gesamten Elektronik und des AVT-Konzepts für die Integration des Sensors im Gehäuse. Weiterhin war GED für die Leiterplattenlayouts der einzelnen Module Sensor, SSM, DVM und SVM verantwortlich.

Das Plattformkonzept basiert auf 3 Ebenen:

  1. Sensor- und Signaldatenaufbereitung (SSM)
  2. Kommunikationsprozessor, Schnittstellen und Funkmodul (DVM)
  3. Energieversorgung (EVM)
HySep 10 2015 4-fach Sensor-Messzelle
4-fach Sensor-Messzelle

Aufgrund dieser Aufteilung konnten die Entwicklungsgruppen ihre Aufgaben autark und parallel bearbeiten. Daraus folgte die Entscheidung, das HySeP-Projekt auf einem 2-Prozessor-System umzusetzen. Ein Mikroprozessor steuert das Sensorsystem und die Kommunikation. Der zweite µC (Signalprozessor) übernimmt die Auswertung der 4-fach Sensorsignale, kombiniert mit einer hochauflösenden Messschaltung sowie die zugehörige Steuerung der Sensorheizung. Weitere Sensoren wie die für Temperatur und Luftfeuchtigkeit sind ebenfalls auf dieser Sensorebene implementiert.

Die Entwicklungsaufgaben von GED:

  • Konzeption der Sensorplattform, Partionierung der Schaltungsteile
  • Schaltungsentwicklung für die Aufbereitung der hochdynamischen Sensorsignale (3 Dekaden)
  • Schaltungsentwicklung der Energieversorgung und der Akkuladeschaltung
  • alle Leiterplattenlayouts und die AVT für die Sensoranbindung
  • mechanische Konstruktion einer aktiven Gasmesskammer
  • Gehäusekonstruktion
  • MID-Konzepte und Design für Batteriefach und Verbindung der Leiterplatte
  • Herstellung und Test der Leiterplatte und der Baugruppen
  • Miniaturisierung und Optimierungsarbeiten

Die Sensorherstellung, die Auswertealgorithmen, die Erstellung des Kommunikationsprozessors mit Funkanbindung sowie der Steuerungssoftware übernahmen die anderen Projektpartner.

HySeP 10 2015 Erstes Gehäusekonzept
HySep – erstes Gehäusekonzept

Ein Schwerpunkt war die Konstruktion der Gasmesskammer. Hier galt es, zu verschiedenen Anforderungen zu forschen und zu entwickeln:

  • Welches Volumen in der Messkammer ist für einen Messvorgang erforderlich?
  • Wird ein Verschlussmechanismus benötigt?
  • Welche Dichtigkeit ist während der Messung erforderlich?
  • Welche Temperatur wird in der Messkammer durch die Sensorheizung mit 450°C erreicht?

Für die Konstruktion setzte GED generative Herstellungsverfahren im Rapid-Prototyping-Verfahren ein, um schneller auf Änderungsanforderungen reagieren zu können. Dies ermöglichte die Realisierung komplexer Geometrien wie die pyramidale Messkammer. Für den Verschluss der Messkammer hat GED verschiedene miniaturisierte Mechaniken und Mikroantriebe systematisch evaluiert und auch auf Baugröße und Energiebedarf hin untersucht. Daraus wurde eine optimale Lösung ausgewählt und konstruktiv umgesetzt. Im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten entstand auch die Idee einer aktiven Messzelle, die Umgebungsluft ansaugen kann und über einen Ventilmechanismus zum Verschluss während der Messung verfügt.

Bei den Untersuchungen zur weiteren Miniaturisierung und Optimierung wurde geprüft, welche Möglichkeiten und Vorteile einer mechatronischen Integration bestehen. Dazu wurden Ideen für den Einsatz von verschiedenen MID-Techniken (MID, Moulded Interconnection Device) entwickelt und untersucht. Für zwei unterschiedliche Anwendungen hat GED Konstruktionen erstellt und evaluiert, welches der MID-Verfahren sich am besten eignet. Es wurden Prototypen im Laser-Direkt-Strukturierungsverfahren (LDS) der Firma LPKF hergestellt. Damit konnte GED erfolgreich nachweisen, dass in kleinen Stückzahlen in FDM-Technologie hergestellte Kunststoffgehäuseteile auch mit Leiterbahnen strukturiert werden können. Die grobe Oberflächenrauigkeit beim FDM-Druckverfahren beschränkt jedoch gegenüber Spritzgussteilen die Auflösung der Leitergeometrien für die MIDs. Die Auflösung der Strukturen musste an die jeweiligen Formen angepasst werden.

HySeP 10 2015 Strömungssimulation
Strömungssimulation der ein- und austretenden Gasströme

 

Strömungssimulation zur Optimierung der Messkammer

Die mechanische Konstruktion der Gasmesskammer hat GED mit Solid Works durchgeführt. Dabei wurden mittels Strömungssimulation die Geometrie der Messkammer und der Gasstromfluss optimiert. Mit der CFD-Analyse für strömende Flüssigkeiten und Gase (CFD, Computational Fluid Dynamics) konnten wichtige Erkenntnisse erarbeitet und nachgewiesen werden. Dadurch war es möglich, unerwünschte Gasansammlungen in den Ecken der Messkammer zu vermeiden. Ebenso wurden verschiedene Anordnungen des Sensors und der Mikrolüfter ausprobiert und so mittels der Simulation in eine optimierte Position gebracht.

Bedingt durch die Anforderung, den Sensor nach einer gewissen Betriebszeit kalibrieren zu müssen, hat GED ein zweiteiliges Gehäuse konstruiert. Der Sensorteil (SSM) und der Controllerteil mit den Akkus (DVM) sind in ein zweiteiliges Gehäuse integriert, das sich durch eine ausgefeilte Konstruktion ohne Montageaufwand zusammenstecken lässt. Hier zeigte sich, dass die Materialien des vorher evaluierten FDM-Druckverfahrens sowohl eine hervorragende Festigkeit als auch eine hohe Maßgenauigkeit bieten. Vorserien und Kleinserien sind im 3D-Druck wirtschaftlich sinnvoll herstellbar, berücksichtigt man, dass keine Werkzeugkosten anfallen.

Entwicklung einer elektronischen Schaltung zur Signalauswertung des MOX-Sensors

Im Bereich der Signalauswertung lag die Herausforderung bei der Aufbereitung der kleinen Signalunterschiede der Sensoren, bei denen die Widerstandsmesswerte im Bereich von 10 kΩ und 10 MΩ liegen, also über 3 Messdekaden reichen. Hierfür musste eine hochauflösende Messschaltung entwickelt werden: Mittels hochgenauer Operationsverstärker werden die Messwerte aufbereitet, bevor sie über den Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert werden. Für die weitere Signalverarbeitung der Multisensoren wurde ein leistungsstarker, echtzeitfähiger 32bit Mikrocontroller der C2000er Serie von Texas Instruments ausgewählt. Dieser bietet neben Signalprozessor und Coprozessor eine PWM-Regelung und einen 13 Kanal ADC mit 12bit Auflösung sowie einen 10 kByte on Chip SRAM.

Das Sensorsystem kann bei Stromausfall für einen Zeitraum von bis zu 24 Stunden autark arbeiten. Unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen und Kriterien des Sensorsystems wurden Nickel-Metallhydrid-Akkuzellen (NiMH) eingesetzt. Zur Ladung der NiMH-Zellen hat GED eine entsprechende Schaltung auf Basis eines Ladecontrollers entwickelt. Mit 4 Stück AA-Zellen leistet das Energiemodul rund 10.000 mA/h.HySeP 10 2015 Hardwarekonzept mit 2 CPUs

HySeP – Hardwarekonzept mit 2 CPUs

 

Zusammenfassung

Im Rahmen des HySeP-Projektes haben die Projektpartner die Grundlagen zur Weiterentwicklung eines hochsensitiven Gassensorsystems erforscht und den Prototyp eines miniaturisierten Sensorsystems entwickelt. Damit lassen sich erstmalig kleine Konzentrationen von Mischgasen detektieren. Dies ist etwa zur Erkennung von Gasen, die bei starker Überlastung von Kabeln kurz vor einem Kabelbrand entstehen, erforderlich. Die Messdaten werden drahtlos über ein Meshed Sensornetzwerk oder auch über unterschiedliche genormte Drahtschnittstellen an ein Monitoringportal übermittelt.

Dazu wurde ein universell einsetzbares Plattformkonzept für komplexe Sensorsysteme entwickelt. Dies ist ein Beispiel dafür, wie sich mit der Integration von Mechanik und Elektronik hochintegrierte Messsysteme realisieren lassen. GED verfügt dafür über ein interdisziplinäres Entwicklerteam, die Erfahrung und die Entwicklungswerkzeuge, um für Kunden solche Lösungen aus einer Hand und in kurzer Zeit umzusetzen.[/vc_column_text][/vc_column][vc_column width=”1/3″][vc_column_text]HySeP 10 2015 Gehäuse transparent[/vc_column_text][vc_column_text]

HySeP 10 2015 Gehäuse

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HySep 10 2015 Gehäuse zweiteilig2

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