Digital Scout SPS 2022

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SPS 2022 „WIEGAND HARVESTER“ EBNET NEUE WEGE IN DIE VERNETZTE IOT-WELT Wiegand-Systeme bieten eine zuverlässige, energieautarke Möglichkeit zur Erkennung und Aufzeichnung von Umdrehungen in Multiturn-Drehgebern – mit Potenzial nach oben. Anfang 2020 wurde daher ein F&E-Projekt gestartet, das die Energieleistung von Wiegand-Geräten deutlich verbesseren und ihren Einsatz beim Betrieb autonomer IoT-Sensoren ermöglichen sollte. Jetzt ist der Durchbruch einer Weltneuheit gelungen. Wiegand Sensoren, die Impulse aus einem externen Magnetfeld in Strom bzw. Energie umwandeln, kommen als Energy Harvesting-Komponenten in vielen Anwendungen zum Einsatz. Dazu zählen beispielsweise Durchflussmessgeräte für Gas, Wasser oder Öl sowie absolute Multiturn-Drehgeber. „Wiegand Sensoren, die auf Low Power-Output getrimmt sind und von uns seit 2014 als SMD-bestückbare Komponenten in riesiger Stückzahl gefertigt werden, bilden seit mehr als 15 Jahren eine Kernkomponente unserer Drehgebersparte Posital“, sagt Tobias Best, der die globale Ubito-Initiative zur Entwicklung neuer Wiegand-Anwendungen von Singapur, dem Firmensitz von Fraba in Asien, koordiniert. „Während Wiegand-Systeme eine sehr zuverlässige batterielose, energieautarke Möglichkeit zur Erkennung und Aufzeichnung von Umdrehungen in Multiturn-Drehgebern und Durchflussmessern bieten, hatten wir schon lange einen wesentlich höheren Output beim Energy Harvesting, gekoppelt an komplett neue Anwendungen, im Visier.“ Mit diesem Ziel vor Augen wurde Anfang 2020 ein ambitioniertes F&E-Projekt gestartet, das darauf abzielte, die Energieleistung von Wiegand-Geräten deutlich zu verbessern und ihren praktischen Einsatz beim Betrieb energieautarker IoT-Sensorknoten zu demonstrieren. VON DER IDEE ZUR INNOVATION Aus diesem F&E-Projekt verkündet Ubito, ein Mitglied der Fraba- Familie und Startup für neue Produktideen, jetzt einen Erfolg bei der Nutzung der Wiegand-Technik als Energiequelle für smarte Sensoren. Nach gut zweijähriger Arbeit im Aachener F&E-Zentrum von Fraba hat ein Forschungsteam im Rahmen einer Labor- Demonstration den Prototyp eines drahtlosen Sensors präsentiert, der mit Wiegand-Technologie betrieben wird und sich problemlos in ein IoT-Netzwerk einfügen ließ. Das Projekt umfasste die Ent- Martin Wendland, PR Toolbox, Toronto, Kanada wicklung eines neuen leistungsstarken „Wiegand Harvesters“, der in der Lage ist, genügend Energie für die Stromversorgung der kompletten Sensorelektronik, einschließlich eines hocheffizienten Ultrabreitband/UWB-Funksenders, zu gewinnen. Dieser im Labor erzielte Durchbruch, der eine Weltneuheit darstellt, eröffnet völlig neue Chancen und wird dazu beitragen, Wiegand-Systeme neben etablierten Energy-Harvesting-Techniken wie Solar-, Piezo- oder Thermoelektrik als verlässliche Energiequelle für autonome Sensorknoten in den boomenden IoT-Netzwerken zu verankern. IOT-SENSORKNOTEN AUF WIEGAND-BASIS Im F&E-Projekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde, arbeitete das Fraba-Team eng mit der FH Aachen zusammen. Dabei wurde das gesamte bisherige Wiegand- Know-how einmal mehr auf den Prüfstand gestellt, wobei zentrale Parameter in umfangreichen Magnetfeldsimulationen detailliert nachjustiert wurden. Neueste Low Power-Fortschritte bei Mikrocontrollern, innovative Wireless-Protokolle wie UWB und clevere DER WIEGAND HARVESTER ERZEUGT 50-MAL MEHR ENERGIE ALS DER AKTUELLE SENSOR Energiemanagement-Lösungen wurden in die Planungen einbezogen. Wesentliche Vorgabe war, die Baugröße des neuen Power- Sensors, mit den Basiskomponenten Wiegand-Draht und Spule, möglichst kompakt zu halten. Nach gut zweijähriger intensiver Arbeit konnte das Projektteam den Durchbruch vermelden. Mit dem neuen „Wiegand Harvester“ wurde ein Prototyp vorgestellt, der 50-mal mehr Energie erzeugt als der herkömmliche Wiegand Sensor. „Mit diesem Leistungsniveau konnten wir endlich IoT- Sensorknoten auf Wiegand-Basis angehen, deren Daten drahtlos über größere Distanz an ein entfernt gelegenes Kommunikations- Gateway übertragen werden können,“ so Best. 108 DIGITAL SCOUT Ihr Kompass zur SPS 2022

01 02 01 Weltweit erster funkender IoT-Sensorknoten auf Wiegand- Basis (links: die beiden „Wiegand Harvester“ zwischen den Stabmagneten und die Sende- Platine mit Mikrocontroller, Temperatursensor und UWB- Sendemodul, rechts: die 60 m entfernte Empfängerstation) HYGIENIC DESIGN. DER PMS AUS EDEL- STAHL. 02 Demo-Projekt: Der IoT-Knoten wurde mit einen Fenstersensor kombiniert, der vollständig durch die per „Wiegand Harvester“ bereitgestellte Energie betrieben wird PROTOTYP MIT GROSSEM POTENZIAL Bei der Auslegung des Demo-Projekts im Labor entschied man sich in Aachen für einen IoT-Knoten in Kombination mit einen Fenstersensor, der als Gesamtsystem vollständig durch die per „Wiegand Harvester“ bereitgestellte Energie betrieben wird. Dabei wurden zwei „Wiegand Harvester“ und die dazugehörige Elektronik am Fenster montiert, während Stabmagnete am Rahmen angebracht wurden. Die kompakten Harvester bestehen aus einem 21 mm langen, aufwendig konditionierten Wiegand-Draht, der von einer Kupferspule umgeben ist. Sie haben die Größe einer AAA-Batterie (d=7,5 mm). Jedes Mal, wenn das Fenster geöffnet oder geschlossen wird, gleiten die Harvester an den Magneten vorbei, was abrupte magnetische Polaritätswechsel in den hochsensiblen Wiegand-Drähten auslöst. Die über diese Impulse generierte Energiemenge ist unabhängig davon, wie schnell oder langsam das Fenster bewegt wird – ein USP der Wiegand-Technologie. Die durch die Umpolung ausgelösten Stromimpulse erzeugen 10 μJ Energie pro Harvester. Diese Energiemenge reichte aus, um den Mikrocontroller zu aktivieren und den im System integrierten Temperatursensor auszulesen. Das Team fügte ein UWB-Sendemodul hinzu, mit dem das 134 Byte-große Datenpaket problemlos an eine 60 m entfernte Empfangsstation gefunkt werden konnte. Diese Labordemonstration, die einen Meilenstein auf dem Weg zu autarken Wiegand-basierten IoT-Sensorknoten darstellt, wurde im Laufe des Jahres auf diversen Fachkongressen präsentiert, die sich auf die Trends im Bereich Energy Harvesting konzentrieren. SPANNENDE AUSSICHTEN „Noch haben wir es mit ersten Prototypen und einem Lab-Demonstrator zu tun, nicht mit einem fertigen Produkt,“ fasst Best zusammen. „Immerhin haben wir gezeigt, welches Potenzial in der Wiegand-Technologie steckt und was sich schon jetzt durch die Kombination unserer Energy Harvester mit handelsüblichen elektronischen Komponenten machen lässt“. Welche Marktchancen sich künftig für kommerzielle Sensorsysteme auf Wiegand-Basis bieten werden, zeigt ein Blick auf seriöse Prognosen. So wird das Industrielle Internet of Things (IIoT) in den kommenden zehn Jahren voraussichtlich um das Dreifache wachsen. „Spannende Zeiten“, so Ubito-Mann Best. „Für uns – und für Wiegand!“ PMS Besuchen Sie uns auf der SPS 2022 in Nürnberg. Halle 7A, Stand 7A-401 Der neue Ultraschallsensor pms aus Edelstahl ist mit seinem intelligenten Hygienic Design prädestiniert für anspruchsvolle Aufgaben in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie. + 4 Tastweiten: von 20 – 1.300 mm + 3 Ausgangsstufen: Push-Pull-Schaltausgang mit IO-Link oder Analogausgang + 2 Gehäusevarianten: D12-Adapterschaft und D12-Bajonettverschluss Bilder: Aufmacher tnazkul – stock.adobe.com, sonstige Fraba www.ubito.com microsonic.de/pms