Dank leistungsstarker Sensor- und Funktechnik im Miniaturformat ist es problemlos möglich, den Durchfluss in weitläufigen Infrastrukturen wie Pipelines, Trinkwassernetzen oder Industrieanlagen zu überwachen und zu steuern. Ein Techniker musste bisher dennoch regelmäßig zu jedem einzelnen eingesetzten Messsystem fahren – zum Batteriewechsel. Ein integriertes Minikraftwerk macht Durchflusszähler nun lebenslang energieautark.

Sie zählen exakt mit, wie viel Sprit an der Zapfsäule in den Fahrzeugtank fließt. Sie erfassen, wie viel Trinkwasser oder wie viel Öl eine bestimmte Stelle des Rohrnetzes passiert. Für die Durchflusskontrolle und Verbrauchserfassung von Flüssigkeiten wie Öl, Benzin oder Wasser sind Ovalradzähler eine bewährte Messtechnik: Die vorbeifließende Flüssigkeit treibt zwei ovale Zahnräder an. Eine Elektronikeinheit zählt jede Umdrehung mit und ermittelt so das Volumen, das die Messstation passiert. Gegenüber rein mechanischen Zählwerken hat die elektronische Messung einen entscheidenden Vorteil: Die erfassten Volumendaten lassen sich über Funk per Fernablesung kontrollieren. Es ist also nicht nötig, den Zählerstand vor Ort manuell abzulesen. Dennoch ist der Einsatz solcher Messeinrichtungen entlang von Pipelines, in Trinkwasserversorgungsnetzen oder zur Durchflusskontrolle und Leckagevorsorge in industriellen Leitungssystemen bisher häufig wirtschaftlich nicht sinnvoll. Gerade in weiträumigen und verzweigten Leitungsinfrastrukturen gibt es »unterwegs« keinen Stromanschluss – und ohne elektrische Energie funktioniert die elektronische Erfassung und Übertragung der Durchflussdaten nicht. Die Messgeräte über eine Batterie zu betrieben, ist auch nicht die Ideallösung: Auch in diesem Fall muss noch regelmäßig ein Techniker zu jedem einzelnen Ovalradzähler kommen, um rechtzeitig die Batterie auszutauschen.

Energieautark durch Energy Harvesting

Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekts entwickelten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS gemeinsam mit Industriepartnern eine neue »Energiequelle« für den Betrieb der Durchflussmesssysteme. Sie nutzen Methoden des »Energy Harvesting«, um die Messtechnik vollkommen autark dauerhaft mit Strom zu versorgen. »Die mit eigener Energieerzeugung ausgerüsteten Ovalradzähler arbeiten lebenslang ohne Stromanschluss und ohne Batteriewechsel. Damit lassen sie sich erheblich flexibler und einfacher einsetzen als bisher - als Messstationen für den Flüssigkeitstransport in unterschiedlichsten Leitungsnetzen auch an nur schwer oder sogar völlig unzugänglichen Stellen«, so Dr.-Ing. Peter Spies vom Fraunhofer IIS.

Durchflusszähler erzeugen Energie selbst

Die Drehbewegung der Zahnräder wir nun nicht mehr nur dazu genutzt, das Volumen der durchfließenden Flüssigkeit zu bestimmen. Die Forscher haben in den Zahnrädern zusätzlich Magneten positioniert und in das Gehäuse des Zählwerkes kleine Kupferdrahtspulen integriert. Mit der Rotation des Zahnrades passieren die Magneten immer wieder die Spulen und induzieren so elektrische Energie. »Das Funktionsprinzip dieses Minikraftwerks ist das gleiche wie bei einem großen Kraftwerksgenerator oder bei einem Fahrraddynamo«, erklärt Spies. Der so während des Zählvorgangs gleichzeitig gewonnene Strom wird in einem Akku gespeichert und versorgt die Elektronik mit ausreichender Energie für den Betrieb der Zähleinheit und die Funkübertragung der Messdaten.

Energieautarke Lösungen für Elektroniksysteme

Die autarke Energieversorgung der Durchflussmesssysteme ist eine von vielen Lösungen für die Energieversorgung von Elektroniksystemen mit Methoden des Energy Harvesting. Die Forscher am Fraunhofer IIS nutzen beispielsweise auch die Vibrationen beim Transport von Waren auf Lkw, Güterwaggon oder Containerschiff dazu, Energie für die Stromversorgung von Sensor- und Funkmodulen für Logistiksysteme zu gewinnen. Ebenso ermöglichen etwa die Schwingungen von Brückenbauwerken eine ausreichend hohe Energieernte, um hier Messeinrichtungen dauerhaft mit Strom zu versorgen. »Grundlegend für den Einsatz von Energy Harvesting ist einerseits immer die sehr sorgfältige Analyse von Art und Verfügbarkeit der nutzbaren Energiequellen und andererseits die optimale Anpassung der Systeme zur »Energieernte« an den jeweiligen Anwendungszweck«, erklärt Spies. (stw)

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