Datenübertragung mittels frequenzmodulierter Schallwellen zur Temperaturerfassung und -regelung

Abstract

In gelisteten desinfizierenden Waschverfahren (RKI, VAH) sind die Desinfektionstemperatur und deren Haltezeit in Wäscheposten und Flotte einzuhalten. Mit den derzeit verfügbaren Temperatursensoren (Maschinensensoren, Datenloggern) lässt sich jedoch nur die Flottentemperatur ermitteln, die sich signifikant von der Wäschepostentemperatur unterscheidet. Daraus resultieren höherer Energieverbrauch, reduzierte Textillebensdauer und geringerer Maschinendurchsatz. Daher wurde im Projekt IGF 19489 N ein textiler Temperaturmonitor, bestehend aus einem Temperatursensor, einem RFID-Modul und einer Antenne, entwickelt, mit dem die Wäschepostentemperatur als Regelgröße in situ erfasst werden kann. Allerdings lässt sich mit derzeit verfügbaren Techniken kein gleichmäßiger Datentransfer während eines Waschprozesses erzielen. Ziel des Forschungsvorhabens war es daher, eine Online-Übertragung der während des Waschprozesses erfassten Daten mittels frequenzmodulierter Schallwellen zu ermöglichen. Im Rahmen der Entwicklung eines Frequenzmodulationsverfahrens zur Datenübertragung wurde am Laborversuchsstand unter Variation verschiedener praxisrelevanter Bedingungen die Sendefrequenz von 100 Hz und 200 Hz als optimal ermittelt. Des Weiteren wurden unter Variation von Prozessparametern und Beladungsart die Störfeldverteilung in der Waschschleudermaschine charakterisiert und optimale Positionen der Körperschallmikrophone ermittelt. Zur Unterdrückung der Störsignale wurde auf Basis eines LMS-Algorithmus ein Antischallfilter in MATLAB programmiert und mit dem Audiosystem der Waschschleudermaschine verknüpft. Nach Optimierung des Antischallfilters unter Variation der Prozessparameter und Erweiterung um eine Filter- und Demodulationsfunktion konnten die Störsignale im Frequenzbereich der Nutzsignale für die relevanten Prozessparameter nahezu vollständig reduziert werden, sodass das Nutzsignal teilweise extrahiert werden konnte. Des Weiteren wurde ein mit Silikon verkapseltes Schallmodul entwickelt, das mit dem textilen Temperatursensor kontaktiert wurde. Die entwickelte Schaltung ermöglichte die erforderliche Temperaturmessung auf Basis einer Widerstandsmessung. Die Umwandlung der Messwerte in einen Binärcode wurde mittels eines geeigneten, auf dem Mikrocontroller programmierten Algorithmus erreicht. Die Schallmodule bzw. Temperaturmonitore (Funktionsmuster) wurden desinfizierenden Waschverfahren unterzogen, wobei die Nutzsignale mittels frequenzmodulierter Schallwellen übertragen wurden. Im Rahmen der Optimierung der Sendefrequenz wurde als bester Kompromiss zwischen der Sendeleistung der Lautsprecher und der Aufnahmefähigkeit der Mikrophone bei überlagerten Störsignalen eine Sendefrequenz von 5.000 bis 6.000 Hz ermittelt. Unter praxisnahen Bedingungen weist die Übertragung des Nutzsignales während der Trommelbewegung eine hohe Fehlerquote auf; in den Pausenzeiten der Trommellaufzeit hingegen kann der zu übertragene Temperaturwert bei geringerer Lautstärke der Störsignale übertragen werden. Der Temperaturmonitor ist auch nach 10 Behandlungen eines Wasch- und Desinfektionsverfahrens noch funktionsfähig. Mit der entwickelten Temperaturregelung kann die Desinfektionstemperatur im Wäscheposten eingehalten und somit die Prozesssicherheit erhöht werden. Dies erlaubt es, die derzeit in Waschprogrammen höher eingestellte Temperatur und länger eingestellte Temperaturhaltezeit zu reduzieren und somit den Energiebedarf zu senken. Des Weiteren wurden Konzepte zur Integration der entwickelten Datenübertragungsmethode und der darauf basierten Regelung in praxisübliche Waschschleudermaschinen erarbeitet, die ohne hohen Aufwand umsetzbar sind. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde teilweise erreicht. Datei-Upload durch TIB