Rückgeführte Energiemessung arbiträrer, nichtstationärer Signale

Möhring, Tobias

Der Einsatz sogenannter „energy harvester“, zur Energieversorgung von Elektronik ohne Batterien oder Kabel, nimmt beständig zu. „Energy harvester“ sind Mikrogeneratoren, wie z.B. piezoelektrische Bauteile, die Energie, beispielsweise von Vibrationen, aus ihrer Umgebung aufnehmen und in elektrische Energie umwandeln. Um den Anwendern dieser Generatoren die zur Auswahl der Bauteile benötigten Vergleichsmöglichkeiten zu geben, wurde im Rahmen des European Metrology Research Programme (EMRP) das Forschungsprojekt „Metrology for Energy Harvesting“ durchgeführt. Ziel war es, eine rückgeführte Messung des Wirkungsgrades für Mikrogeneratoren zu entwickeln. Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen dieses Projektes durchgeführt und widmet sich der Aufgabe den Energiegehalt der elektrischen Ausgangssignale zu messen. Diese Signale können beliebige Kurvenform aufweisen und sind in der Regel nichtstationär. Ausgehend von den etablierten Verfahren zur Bestimmung von Leistung und Effektivwert quasistationärer Signale wurden drei Messverfahren realisiert und untersucht. Eines dieser Verfahren stützt sich auf genaue Abtastung des Messsignals mit einer Abtastfrequenz von mehreren 100 kHz und wurde mittels einer kommerziellen Abtastkarte realisiert. Die beiden anderen Verfahren basieren auf Thermokonvertern, wie sie zur Effektivwertbestimmung durch ac-dc Transfer in vielen nationalen Metrologieinstituten verwendet werden. Eines der thermischen Verfahren basiert auf dem mathematischen Modell eines Thermokonverters, aus dessen Ausgangssignal die Eingangsenergie berechnet wird. Für das zweite wurde ein speziell modifizierter Thermokonverter entworfen, welcher mittels einer Regelschleife in einem vorgegebenen Arbeitspunkt stabilisiert wird. Die thermischen Verfahren wurden zu funktionierenden Prototypen weiterentwickelt und zusammen mit dem slowenischen (SIQ) und dem italienischen nationalen Metrologieinstitut (INRIM) untersucht.

The use of energy harvesting for powering small electronics without the need of batteries or wires becomes more popular. Energy harvesters are microgenerators e.g. piezoelectric devices which gather waste energy like vibrations and convert it into electrical energy. The users of these harvesting devices need reliable information concerning the efficiency of the devices in order to choose the appropriate harvester for each application. To assist users with this task the European Metrology Research Programme (EMRP) installed a research project called "Metrology for Energy Harvesting". The intention of this project was to provide methods for traceable measurement of the efficiency factor of energy harvesters. The objective of this thesis, which was executed within the named project, was to develop traceable measurement methods regarding energy measurement of electric signals, which are of arbitrary waveshape and not stationary. Starting from the established methods of determining power and rms value of quasi-stationary signals three measurement systems were set up and investigated. One of the systems is based on digitizing the measurement signal with a high resolution in time and value with a sampling frequency of several 100 kHz using a commercial available digitizer. The other two systems use thermal converters, as they are known from rms determination via ac-dc transfer done in many national metrology institutes. One of the thermal systems uses a mathematical model of a known thermal converter to calculate the input energy from the output signal, while the other is based on a thermal converter, which has been modified especially for this task and is stabilized in a predefined operating point by a feedback loop. The thermal systems were developed further to useable prototypes and these prototypes were investigated in cooperation with the Slovenian and Italian national metrology institutes SIQ and INRIM.

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Möhring, Tobias: Rückgeführte Energiemessung arbiträrer, nichtstationärer Signale. 2014.

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