Fraunhofer ENAS stellt einen Gyrokompass für Indoor-Anwendungen und eine Monitoringsystem für Stromverteilnetze auf der digitalen SENSOR+TEST 2021 vor

Chemnitz / 04. Mai 2021

Fraunhofer ENAS zeigt auf der diesjährigen digitalen Sensor+Test rund um die Themen Sensorik und Messtechnik ein Monitoring-System für die Zustandsüberwachung von Steck- und Kabelverbindungen in Schaltanlagen für Stromnetze und einen MEMS-basierten Gyrokompass.

Präzisions-MEMS-Gyroskops zur Bestimmung der Himmelsrichtung. | Foto: Fraunhofer ENAS
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Präzisions-MEMS-Gyroskops zur Bestimmung der Himmelsrichtung.
Installation von Sensoren in einer Mittelspannungsschaltanlage. Die eingesetzten MEMS-Vibrationssensoren wurden mittels einer über die FMD – Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland realisierten Probestation charakterisiert. | Photo: Fraunhofer ENAS
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Installation von Sensoren in einer Mittelspannungsschaltanlage. Die eingesetzten MEMS-Vibrationssensoren wurden mittels einer über die FMD – Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland realisierten Probestation charakterisiert.

Vom 4.-6. Mai 2021 findet die Messtechnikmesse SENSOR+TEST als digitale Fachmesse statt. Das Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS ist in diesem Jahr als Online-Aussteller vertreten und stellt am Institut entwickelte Technologien, Komponenten und Systeme aus der Welt der Sensorik und Messtechnik vor. Unter anderem zeigt das Forschungsinstitut wie Drehratensensoren in einem Gyrokompass eingesetzt werden und wie Stromverteilnetze mit Hilfe eines Multisensorsystems für Kabelverbindungen überwacht werden können.

 

Kompass auf Basis eines MEMS-Gyroskops

Die Bestimmung der Himmelsrichtung mithilfe von Gyroskopen bietet viele Vorteile gegenüber dem bekannten magnetischen Kompass. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass MEMS-Gyroskope nicht von lokalen Störungen des Erdmagnetfelds beeinflusst werden und sie unabhängig von Funkverbindungen zu Satelliten sind. Darüber hinaus können sie auch innerhalb von Gebäuden mit viel verbautem Stahl zur Ausrichtung von Maschinen eingesetzt werden.

Die Grundlage des vorgestellten Gyrokompasses ist ein gemeinsam mit Partnern am Fraunhofer ENAS entwickelter Hochpräzisions-Drehratensensor mit integrierter Signalwandlung, der eine hohe Auflösung und Empfindlichkeit bei gleichzeitig kleiner Signaldrift erzielt. Die benötigte Auflösung und Stabilität findet man derzeit nur in optischen oder halbkugelförmigen Resonator-Gyroskopen, die allerdings deutlich teurer und größer als MEMS-Gyroskope sind. Der verwendete Sensor hat eine Bias-Instabilität von 0,63 °/h mit einem Rauschwert (ARW) von 0,02 °/√h. Die erreichte Genauigkeit des Kompass-Systems ist somit ungefähr 1° innerhalb von 10 Minuten bei 50,8° nördlicher Breite (Chemnitz, Deutschland). Der implementierte Maytagging-Algorithmus ermöglicht die Verwendung von günstigen Standardbauteilen wie einem Schrittmotor und low-cost Mikrokontrollern. Die Steuerung der Messroutine sowie das Sammeln und Auswerten der Daten finden ausschließlich im Gerät statt und benötigen daher keine zusätzlichen Auswerteeinheiten. Der Energieverbrauch liegt unter 4 Watt.

Der Gyrokompass wird am Dienstag, 4. Mai 2021, um 9:00 Uhr in einer Kurzpräsentation auf der Digital Agenda vorgestellt.

 

Monitoring-System für Kabelverbindungen und Steckverbinder in kabelgebundenen Stromnetzen

Das flexible, leicht montierbare und autarke Multi-Sensor-Funküberwachungssystem wurde zusammen mit einem internationalen Netzbetreiber für den Einsatz in Mittel- und Niederspannungsverteilnetzen entwickelt. Mit diesem System lassen sich Fehler an Kabelverbindungen und Steckverbindern in kabelgebundenen Stromnetzen frühzeitig erkennen, entsprechende Wartungsarbeiten durchführen und schließlich kostenintensive und lange Stromausfälle vermeiden. Außerdem kann das entwickelte Messsystem zur großflächigen Digitalisierung des Verteilnetzes beitragen. Diese ermöglicht dem Netzbetreiber die kontinuierliche Erfassung von Daten über Stromverbrauch, kritische Zustände oder anbahnende Störungen.

Die einzelnen Sensorknoten bestehen aus einem drahtlosen Kommunikationsmodul, einem Stromwandler-Modul und verschiedenen Sensoren zur Erfassung von Teilentladungen, Kabeltemperatur und äußeren Einflüssen wie Vibrationen oder Stößen. Das Gesamtsystem zeichnet sich durch eine beeindruckende Flexibilität, geringe Größe und geringes Gewicht aus. Es kann einfach um alle gängigen Stromkabel mit Abschirmung und Kabelverbindungen montiert werden. Auch der induktive Energie-Harvester ist flexibel ausgelegt. Ab einem Stromfluss von etwa 15 Ampere wird die Funkelektronik und Sensorik mit ausreichend Energie versorgt. Der Sensorknoten mit all seinen Komponenten ist für einen weiten Temperaturbereich von –40 °C bis +110 °C ausgelegt. Das System befindet sich derzeit in einem umfangreichen Feldtest in einer Schaltanlage im 22,9-kV-Verteilnetz.