Drahtlos Daten und Energie durch Metalle übertragen

In Anwendungen wie beispielsweise der Prozessautomatisierung, der Lebensmittel- und Getränkeproduktion müssen Daten oft von Sensoren in geschlossenen Metallstrukturen übertragen werden. Wie aber lassen sich Daten in diese hinein- und aus ihnen herausbringen, ohne ein Loch zu bohren? Mit Acoustic Data Link hat TDK eine Antwort gefunden.

Verschlossene Metallbehälter, Metallrohre und ähnliche geschlossene Metallstrukturen bilden einen Faraday’schen Käfig, der elektromagnetische Signale effektiv abschirmt. Dadurch lassen sich herkömmliche drahtlose Übertragungsverfahren mit Funkwellen nicht einsetzen. Acoustic Data Link (ADL) ist die Antwort von TDK auf diese Herausforderung.

Ursprünglich im Jahr 2021 vorgestellt, hat das Team die ADL-Technologie nun weiterentwickelt, um eine zuverlässige und einfache Implementierung für verschiedene Anwendungen wie die Erfassung von Sensordaten zu ermöglichen. Die Technologie kann Datenraten von 11 kbit/s und eine elektrische Leistung von 30 mW übertragen.

Herzstück von ADL ist der neu entwickelte Piezo-Wandler, genannt ADL Link (Abb. 1). Zwei dieser Wandler – einer auf jeder Seite einer homogenen Metallplatte – dienen als akustischer Kanal und Transducer (Abb. 2). Im Sendemodus wandeln sie elektrische Signale in eine gerichtete mechanische Schwingung im Ultraschallbereich um, während sie im Empfangsmodus diese mechanischen Wellen wieder in elektrische Signale zurückwandeln. Um zusätzlich elektrische Energie zu übertragen, wird dem akustischen Datensignal zusätzlich ein akustisches Sinussignal überlagert, das der gegenüberliegende ADL Link in elektrische Energie umwandelt.

Abbildung 1:

Piezoelektrische ADL-Verbindungen fungieren als Transducer und wandeln elektrische Signale in gerichtete mechanische Schwingungen um und umgekehrt.
 

Abbildung 2:

Zwei ADL-Links – einer auf jeder Seite einer homogenen Metallplatte – bilden den akustischen Kanal, auf dem Daten und Strom durch Metallwände übertragen werden können.

ADL und NFC – das perfekte Paar

Wesentliche Entwicklungsziele für ADL beinhalten eine effektive und sichere Datenübertragung, den Einsatz des etablierten NFC-Datenprotokolls, eine zuverlässige Stromversorgung und Bauelemente, mit denen Prozesstechniker oder HF-Integratoren den akustischen Kanal einfach einrichten können.

Festkörper regen akustische Wellen in bestimmten Modi an. Metalle zeigen schmalbandige Resonanzen bei Vielfachen der akustischen Wellenlänge. Bei Frequenzen zwischen diesen Resonanzen werden die akustischen Signale weitgehend gedämpft.

Das Piezoelement im ADL Link schwingt ebenfalls mit, aber aufgrund der elastischen Materialeigenschaften der Zwischenschichten und des Klebstoffs überlagern sich diese Moden und bilden einen akustischen Übertragungskanal mit einem relativ flachen Durchlassbereich zwischen 10 und 14 MHz. Dadurch konnten die Ingenieure von TDK einen akustischen Durchlassbereich schaffen, der breit genug ist, um Daten zuverlässig zu übertragen, und der die vom NFC-Standard (Near Field Communication) verwendete Frequenz von 13,56 MHz einschließt.

Dadurch konnte das NFC-Protokoll für die Datenübertragung mit  ADL verwendet werden. Dank des Einsatzes von NFC erreicht das System Übertragungsraten von etwa 11 kbit/s und bietet die bewährte Datensicherheit dieses Protokolls. Bei der Integration von ADL kommen die Vorteile der ausgereiften NFC-Technologie zum Tragen. Durch den Einsatz von handelsüblichen NFC-Chipsätzen lassen sich die ADL-Komponenten zudem kostengünstig herstellen.

ADL als skalierbare Lösung

Mit Acoustic Data Link lassen sich bis zu 10 mA bei 3 V übertragen – das entspricht etwa 30 mW. Bei Prototypen konnten die Entwickler zeigen, dass es möglich ist, mehr als zehn verschiedene Sensoren zur Temperatur-, Druck-, Feuchtigkeits- und Beschleunigungsüberwachung gleichzeitig mit Strom zu versorgen und die Sensordaten zu erfassen. Die Lösung funktioniert über einen breiten Temperaturbereich von -40 °C bis +105 °C.

Datenraten von 11 kbit/s und eine Leistung von 30 mW sind keineswegs das Maximum, vielmehr sind diese Parameter an die Verwendung des NFC-Protokolls gebunden. Tatsächlich unterstützt der ADL-Kanal selbst eine Bandbreite von bis zu 2 MHz, was wiederum Datenübertragungsraten im Megabit-pro-Sekunde-Bereich ermöglicht. Erste Anzeichen deuten darauf hin, dass eine Leistung von 100 mW übertragen werden könnte.

Abbildung 3:

Dieser ADL-Demonstrator zeigt, wie Daten und Energie in ein hermetisch abgedichtetes, unter Überdruck stehendes Rohr gesendet und von dort empfangen werden.

Diese neue ADL-Technologie ist zwar noch nicht kommerziell verfügbar, wird aber von Unternehmen getestet, die sie für Anwendungen wie die Druckmessung und Undichtigkeitserkennung bei Rohrinstallationen und für Anwendungen einsetzen möchten, bei denen ein geschützter Zugriff auf Sensoren oder Datenträger in Metallstrukturen erforderlich ist (Abb. 3). Bei Anwendungen zur Datenspeicherung stellt die NFC-Technologie sicher, dass der Datenzugriff auf autorisierte Personen beschränkt ist, und zwar durch effektive ID-Prüfungen, wofür NFC weithin etabliert ist.

Zusammenfassung

Acoustic Data Link kann in allen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine drahtgebundene Datenverbindung nicht möglich ist oder eine nicht-invasive Sensorintegration erforderlich ist.

TDK ist an einer Zusammenarbeit mit Partnern und Anwendern interessiert, die die Technologie in ihren spezifischen Anwendungen einsetzen und testen möchten.

Volker Wischnat, TDK Customer Development Lead

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