PA (BA): Design And Implementation Of A Minature Energy Management System For Autonomous Sensor Particles

As part of the Collaborative Research Center (SFB), project A07 is concerned with the development of miniature Lagrangian sensors to determine process variables in fluidized bed reactors in order to enable process control. The sensors are also to be swirled around in the reactor during the process in order to measure parameters such as temperature, humidity and process progress. In contrast to temperature measurement, which can be realized with conventional sensors, the measurement of moisture and process progress is not directly possible. These sensors in development are miniature spheres called Smart Particles.

To determine these parameters, the change in electrical conductance during the process is used. The conductance is dependent on the increasing fluidized bed thickness and the changing water content. Conductance is measured using electrical impedance spectroscopy (EIS), in which a defined current is passed through a substrate while measuring the voltage. A subsequent comparison with a previously measured conductance behavior provides insight into the current reactor state.

A particular challenge here is the energy management of the Smart Particles, as the electronics need to be supplied with energy in the deep sleep, the active measurement and in the data transmission state. There are multiple approaches to this problem including wireless energy supply (harvesting) or an energy storage system including charging capabilities. The Smart Particles may not be opened once the assembly process is finished

This task is about designing, simulating and implementing a working energy management system for the above described Smart Particles, that fulfills given requirements such as runtime duration, size and density. The development process consists of 2 versions for a 25mm and a 5mm sphere. The student shall follow the principles of methodological working.

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) befasst sich das Projekt A07 mit der Entwicklung von Miniatur-Lagrangsensoren zur Bestimmung von Prozessgrößen in Wirbelschichtreaktoren, um eine Prozesskontrolle zu ermöglichen. Die Sensoren sollen auch während des Prozesses im Reaktor umhergewirbelt werden, um Parameter wie Temperatur, Feuchte und Prozessfortschritt zu messen. Im Gegensatz zur Temperaturmessung, die mit herkömmlichen Sensoren realisiert werden kann, ist die Messung von Feuchte und Prozessfortschritt nicht direkt möglich. Bei den in der Entwicklung befindlichen Sensoren handelt es sich um Miniaturkugeln, sogenannte Smart Particles.

Um diese Parameter zu bestimmen, wird die Änderung des elektrischen Leitwertes während des Prozesses genutzt. Der Leitwert ist abhängig von der zunehmenden Wirbelschichtdicke und dem sich ändernden Wassergehalt. Gemessen wird die Leitfähigkeit mit Hilfe der elektrischen Impedanzspektroskopie (EIS), bei der ein definierter Strom durch ein Substrat geleitet wird und die Spannung gemessen wird. Ein anschließender Vergleich mit einem zuvor gemessenen Leitwertverhalten gibt Aufschluss über den aktuellen Reaktorzustand.

Eine besondere Herausforderung ist dabei das Energiemanagement der Smart Particles, da die Elektronik im deepsleep, der aktiven Messung und im Zustand der Datenübertragung mit Energie versorgt werden muss. Hierfür gibt es mehrere Ansätze, darunter die drahtlose Energieversorgung (Harvesting) oder ein Energiespeichersystem mit Lademöglichkeit. Die Smart Particles dürfen nach Abschluss des Montageprozesses nicht mehr geöffnet werden

In dieser Aufgabe geht es darum, ein funktionierendes Energiemanagementsystem für die oben beschriebenen Smart Particles zu entwerfen, zu simulieren und zu implementieren, das die vorgegebenen Anforderungen wie Laufzeit, Größe und Dichte erfüllt. Der Entwicklungsprozess besteht aus 2 Versionen für eine 25mm und eine 5mm Kugel. Der Student soll die Prinzipien des methodischen Arbeitens befolgen.