Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Slibná budoucnost energeticky soběstačných senzorů

V moderní průmyslové automatizaci se stále výrazněji prosazují energeticky soběstačné inteligentní senzory schopné autonomně komunikovat s okolím.
 
Jde o senzory a senzorové systémy vyznačující se tím, že dokážou měřit polohu, sílu, průtok, teplotu i jiné veličiny a vysílat aktuální zjištěné hodnoty bezdrátově do vzdáleného přijímače, přičemž nevyžadují žádný zvláštní přívod energie. Při své činnosti totiž vystačí s elektrickou energií získávanou účelnou konverzí z energie kinetické, tepelné, světelné apod., která je k dispozici v bezprostředním okolí snímače (např. z chvění strojních částí, z rozdílů mezi teplotami těles nebo jejich částí apod.). V důsledku toho se u těchto zařízení nevyskytují problémy s napájením a připojením, což je důležité zejména u kompaktních senzorů, které mají být vestavěny přímo ve sledovaném objektu. Protože senzor může obousměrně komunikovat se svým okolím a sám si tuto komunikaci dokáže organizovat a řídit, lze takto dostat údaje o stroji nebo výrobním zařízení důležité např. pro jeho preventivní údržbu podle aktuálního stavu téměř kamkoliv, třeba až na řídicí pult hlavního dispečera.
 

Soběstačné senzorové systémy pro manipulátory

 
Na zajímavých energeticky soběstačných senzorech pro průmyslovou automatizaci v současné době intenzivně pracují vývojáři v několika ústavech Fraunhoferovy společnosti. Za účelem názorné demonstrace rozpracovávaných principů pracovníci skupiny pro vývoj technologií Fraunhofer-TEG (Fraunhofer-Technologie-Entwicklungsgruppe) ve Stuttgartu ve spolupráci s firmou Festo nedávno sestavili přenosné demonstrační zařízení. V podstatě jde o malý dopravník s pneumatickým pohonem, který nepřetržitě přepravuje menší kruhové součástky v uzavřeném koloběhu (obr. 1). Součástky jsou uchopeny vakuovým chapadlem, kousek poponeseny a odloženy na přepravní nosič, na němž jsou dopraveny zpět do výchozího bodu. Všechny kroky tohoto procesu jsou standardním způsobem sledovány s použitím senzorů. Netradiční je, že všechny použité senzory jsou energeticky soběstačné. Zařízení např. fotodiodami ověřuje, zda jsou součástky správně položeny na dopravní nosič – při správné poloze jsou diody součástkami zakryty. Energii pro detektory polohy součástek dodávají fotovoltaické články, na které dopadá světlo z okolí. Elektrickou energii pro senzory tlaku dohlížející na činnost vakuového chapadla zase dodávají keramické piezoelektrické prvky namáhané na ohyb při mechanické deformaci, k níž dochází při spuštění a zastavení vývěvy. Elektrická energie, která se přitom generuje, stačí k tomu, aby byl do centrály vyslán signál „OK“. Senzor tedy získává energii pro svoji činnost z pneumatického systému jako nedílné součásti takovýchto zařízení. Tyto a podobné senzorové systémy by v blízké době měly být běžně k dispozici ke komerčnímu využití.
 

Soběstačný systém k diagnostice potahu letadla

 
Jiné energeticky soběstačné senzory chce společnost EADS Innovation Works z Mnichova použít v novém diagnostickém systému, který by měl do budoucna usnadnit, zrychlit, a přitom zkvalitnit údržbu a opravy letadel a zejména pomoci při odhalování skrytých závad. Počítá se s tím, že na různých místech potahu trupu a křídel letadla budou umístěny vhodné senzory (obr. 2), které budou trvale za letu sledovat, co se s potahem děje. Například na první pohled banální srážka letadla s letícím ptákem je často fatální nejenom pro opeřence. Prudký náraz poměrně hmotného tělesa při velké rychlosti může poškodit potah i části nosné konstrukce letadla. Může vzrůst napjatost, zvlnění a posléze se mohou objevit i trhliny materiálu. Zjistí-li vyvíjené senzory jakékoliv, i okem nepostřehnutelné poškození, bezdrátově vyšlou varovný signál do monitorovací jednotky. Na základě této informace lze narušené díly včas opravit nebo vyměnit. Protože energeticky soběstačné senzory nepotřebují žádné baterie a kabely, jsou malé, lehké a lze je umístit i na nepřístupná nebo těžko přístupná místa. Energii pro svou činnost získávají z rozdílu teploty prostředí vně letadla, pohybujícího se za letu v běžných cestovních výškách v rozmezí asi od –20 do –50 °C, a teplotou v kabině pro cestující, která bývá přibližně +20 °C.
 
Společnost EADS Innovation Works řídí konsorcium vývojových pracovišť, která se podílejí na vývoji tohoto komplexního diagnostického systému nové generace. O zajištění energie pro energeticky soběstačné senzory se starají např. odborníci Fraunhoferova ústavu pro měření fyzikálních veličin IPM (Institut für Physikalische Messtechnik) ve Freiburgu. Využívají k tomu termoelektrické generátory, které vyvinuli společně s firmou Micropelt GmbH. Jejich základem jsou termoelektrické látky na polovodičové bázi, v nichž teplotní spád vyvolává elektrické napětí. Zapojí-li se větší počet termoelektrických článků do série, postačí získaná energie pro napájení malých senzorů i rádiového vysílače, který odesílá údaje ze senzorů do centrální monitorovací jednotky. Důležitým úkolem bylo optimalizovat tepelný tok a zkonstruovat termoelektrický generátor tak, aby jím procházelo dostatečné množství tepla. První optimalizované prototypy termoelektrického generátoru již úspěšně prošly zkouškami. Celý diagnostický systém zahrnující senzory, termoelektrický generátor, akumulátor energie, nabíjecí elektroniku a modul bezdrátového vysílače má být do tří let zaveden do sériové výroby.
 

Výrobní prostředky, automobily, lékařství…

 
Během příštích dvou let bude ke komerčnímu využití v průmyslu připraveno několik desítek různých energeticky soběstačných senzorových systémů, umožňujících výrazně zvýšit spolehlivost, omezit výpadky a zmenšit náklady na provoz a údržbu výrobních strojů a zařízení. Energeticky soběstačné senzory lze však využít rozmanitými způsoby i např. v automobilním průmyslu, kde mohou usnadnit montáž a přispět k menší hmotnosti automobilů, protože nepotřebují žádnou kabeláž. Slibnou perspektivu mají energeticky soběstačné senzory také v lékařství. Snadno si lze představit, jak se např. výkonnému sportovci měří při závodu pulz s použitím senzoru integrovaného v jeho tričku či jak naslouchací přístroje pro nedoslýchavé získávají energii pro svou činnost transformací tepla vytvářeného lidským tělem.
 
Literatura:
[1] Energieautarke Sensoren fürs Flugzeug. Mediendienst FhG, Nr. 10–2009, Thema 1.
[2] Ohne Steckdose und Batterie. Mediendienst FhG, Nr. 6–2008, Thema 5.
Kab.
 
Obr. 1. Zařízení pro prezentaci energeticky soběstačných senzorů v manipulační technice (foto: Festo)
Obr. 2. Senzory energeticky soběstačného systému pro měření pnutí v potahu letadla za letu