Bachelorarbeit Elektrotechnik: Passiver Sensor für drahtlose Überwachung von Kräften in Bauwerken

Wenn der Stahlbeton unter Spannung steht

Basil Brunner und Daniel Strässler, die das Bachelorstudium in Elektrotechnik abschliessen, haben einen drahtlosen Sensor entwickelt, der die mechanische Spannung im Stahl von Betonbauwerken messen kann. Das vereinfacht und vergünstigt die Überwachung und das Instandhaltungsmanagement massgeblich. Ein Feldversuch an der A1 ist geplant.

Auch wenn Betonbauwerke aussehen, als seien sie für die Ewigkeit gebaut: Strassen, Brücken und Gebäude halten den Kräften, denen sie im Alltag ausgesetzt sind, nicht ewig stand. Der Stahl, der die Bauwerke zusammenhält, ermüdet und dehnt sich unter den Belastungen immer stärker aus. Es ist essentiell, diese Spannungen messen zu können. Nur so kann der Zustand überwacht und eine geeignete Instandhaltungspolitik abgeleitet werden. Bislang mussten verkabelte Sensoren unter viel Aufwand einbetoniert und über einen wetterfesten Stecker mit der Aussenwelt verbunden werden. Die beiden Elektrotechnik-Absolventen Basil Brunner und Daniel Strässler haben nun aber einen drahtlosen Sensor entwickelt, der sich flexibel einbauen lässt und keine teure Infrastruktur an der Aussenseite des Bauwerks benötigt.

Nur senden, wenn gemessen wird

Absolvent Basil Brunner erklärt das Prinzip ihres Sensors: «Auf dem Stahl im Beton werden Dehnmessstreifen angebracht, welche die mechanische Dehnung in ein elektrisches Signal umwandeln und an den Sensor weiterleiten. Der Sensor wandelt dieses Signal in digitale Messwerte und übergibt diese an einen RFID-Baustein, wie man ihn von elektronischen Etiketten im Warenhaus kennt. Über eine integrierte Antenne können diese Daten nun jederzeit von einem Reader drahtlos abgefragt und an einen Computer oder ins Internet übergeben werden. Mit einer geeigneten Benutzerschnittstelle können die gemessen Daten dort gut lesbar und grafisch angezeigt werden.» Der Clou ist, dass die beiden Elektrotechnik-Absolventen einen passiven Sensor verwenden – einen batterielosen Sensor also, der nur dann Signale misst und sendet, wenn ein Reader diese abfragen will. «Die Antenne des Readers erzeugt beim Messen ein Magnetfeld, welches den Sensor mit genügend Energie versorgt, so dass er eine Messung vornehmen und seine Daten übermitteln kann. Dies nennt man Energy Harvesting», erläutert Basil Brunner.

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«Demnächst wollen wir in einem Feldversuch zwei Sensoren in einer Autobahnüberführung an der A1 einbetonieren.»

Basil Brunner

Dynamische Prozesse überwachen

Das Schema des Messsystems zeigt, wie die einzelnen Komponenten miteinander vernetzt sind.

Die Antenne des Readers muss lediglich an die Oberfläche des fraglichen Bauwerks gehalten werden. Bis zu einer Distanz von 40 Zentimetern kann die Antenne den Sensor identifizieren und bis zu 15 Zentimetern mit genügend Energie für das Messen versorgen. Der Sensor kann bis zu 100 Messwerte pro Sekunde liefern, so dass sich auch dynamische Vorgänge überwachen lassen. Dazu Daniel Strässler: «So können wir ablesen, wie stark eine Brücke belastet wird, wenn zum Beispiel ein Lastwagen darüberfährt. Wir können die Messung in zehn Jahren wiederholen und mit den bestehenden Daten vergleichen. Daraus lässt sich ableiten, wie stark der Alterungsprozess der Brücke fortgeschritten ist und wann sie saniert werden müsste.»

Genaue Messung, wenig Energie

Die Komponenten des Messsystems:: Stahl mit Dehnmessstreifen, Sensor, Antenne, Reader und PC.

Für ihre Arbeit haben die beiden Elektrotechnik Absolventen mit der enertec engineering AG aus Winterthur zusammengearbeitet. Der Wirtschaftspartner hat den beiden Absolventen unter anderem die Dehnmessstreifen auf dem Stahl zur Verfügung gestellt. «Den Sensor haben wir komplett selber erarbeiten müssen: Wir haben die Soft- und Hardware für den Sensor entwickelt. Und wir haben das gesamte Benutzerinterface programmiert.» Dabei sei es besonders herausfordernd gewesen, einen Sensor zu entwickeln, der zwar sehr genau messen könne, aber möglichst wenig Energie benötige, um die drahtlose Versorgung sicherzustellen. Die Zusammenarbeit mit enertec engineering wird weitergehen: «Demnächst wollen wir zusammen mit unserem Wirtschaftspartner in einem Feldversuch zwei Sensoren in einer Autobahnüberführung an der A1 einbetonieren.»

Weitere Informationen

Bachelorstudium Elektrotechnik

Institute for Signal Processing and Wireless Communications (ISC)