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Diplomarbeit von Yilmaz Akyol

Diplomarbeit

Entwicklung und Aufbau einer Meßeinrichtung für RFID Komponenten

von

Yilmaz Akyol

Matrikelnummer s720774

Beuth-Hochschule für Technik Berlin

Fachbereich VI Technische Informatik

Luxemburgerstr.10

13353 Berlin

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1 Einleitung

Die Anzahl automatisierter Erkennungs- und Überwachungsaufgaben nimmt ständig

zu. Berührungslose optische Systeme sind seit Jahren erfolgreich im Einsatz (

„barcode- Leser“ ); diese dienen jedoch überwiegend der Unterstützung des

Bedienpersonals.

Systeme, deren Nutzung unabhängig ist von menschlicher Bedienung, dienen der

Einsparung von Arbeitskräften. Dieses erfolgt durch die Verwendung von

automatisch und berührungslos, gleichzeitig einfach, sicher und kosteneffizient

arbeitenden hochfrequenten Indentifikationseinrichtungen.

2 Grundlagen

2.1 Kurzdarstellung zur RFID

Radio Frequency Identification, im Englischen „Radio Frequency Identification“ also

die drahtlose ( „Funk“ ) Übertragung von Informationen zur Identifikation/

Legitimation, ermöglicht die berührungslose Datenerfassung und öffnet dank immer

einfacherer und kostengünstiger werdender Technologien ständig neue

Einsatzbereiche.

Die Darstellung der Grundlagen gibt einen Einblick in RFID Systeme und den

Einfluss auf ihre Umgebung.

Anliegen dieses Kapitels ist die Vermittlung der Grundlagen der RFID Systeme, RFID

Lösungen und Einsatz in unterschiedliochen Frequenzbereichen. Aktive und passive

Systeme sind gleichermaßen vertreten.

Passive Systeme: der Sender sendet periodisch Energie aus; wird ein passiver

Sensor angenähert, lädt sich dessen Energiespeicher ( Kondensator ) auf, das

System sendet dann seine Kennung aus.

Aktive Systeme: der Empfänger ist mit einer eigenen Energiequelle versehen und

reagiert nur auf die empfangene hochfrequente Information

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Ein RFID System besteht immer aus einem Datenträger (jeweils ein Chip und eine

Antenne in einem Träger (RFID-Transponder oder Tag) und einem Lesegerät

(bestehend aus einer Antenne und einem Decoder).

Zur Datenübertragung werden magnetische oder elektromagnetische Felder

eingesetzt.

2.2 RFID Lösungen - Aktive Transponder / Passive Transponder

2.2.1 Aktiv:

Zur Überbrückung grosser Lesedistanzen (mehrere Meter) haben die RFID-

Transponder eine Stromversorgung (Batterie). ( Einsatzbereich: z.B.

Zufahrtskontrollen auf Werksgeländen: Mautzahlungen ).

2.2.2 Passiv:

Die RFID-Transponder haben keine eigene Stromversorgung. Die Energie wird vom

Lesegerät erzeugt (Leseabstände bis ca. 60cm).

2.3 Frequenzbereiche

Die folgenden Tabellen zeigen die Charakteristika der verschiedenen

Frequenzbänder auf:

100-135 KHz ( Bereich von 30 bis 500 kHz )

125 kHz ist die meistverbreitete Frequenz für preisgünstige, passive RFID-

Transpondersysteme

Vorteile Nachteile

Verwendung von günstigen passiven

Transpondern

Große Transponder-Bauformen (hohe

Antennenwindungszahl)

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Gute Durchdringung von nicht-

metallischen Gegenständen, Wasser und

organischem Gewebe

Standardisierung durch ISO 11784/85

Relativ unempfindlich gegen metallische

Umgebungseinflüsse

Frequenzband weltweit verfügbar

Hohe erlaubte Sendeleistung

Geringe Datenkapazität

Geringe Übertragungsgeschwindigkeit

13,56 MHz ( 10 - 15 MHz )

Diese Frequenz wird hauptsächlich von RFID-Transponder Etiketten verwendet

Vorteile Nachteile

Verwendung von günstigen passiven

Transpondern

Standardisierung durch ISO 15693,

Teil 1-3

Höhere Datenkapazität

Mittlere

Datenübertragungsgeschwindigkeit

(Frequenzband weltweit verfügbar 26

kBit/s)

Hohe Dämpfung durch metallische

Umgebung

Lesereichweite durch gesetzliche

Bestimmungen beschränkt

Große Reichweiten erfordern große

Antennenbauformen

869, 915 MHz

Vorteile Nachteile

Große Reichweite

Einfaches Antennendesign

Kostengünstig

Schlechte Durchdringung von Wasser

und organischem Gewebe

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Standardisierung (EPC

2,45 GHz

Häufig für LongRange Systeme verwendete Frequenz.

Neuerdings auch 5,8 GHz

Vorteile Nachteile

Hohe

Datenübertragungsgeschwindigkeiten

Hohe Reichweiten

Große Bauform

Preis

Lebensdauer

Versorgung mit Energie

Keine Standardisierung

*Quelle http://www.rfid-ready.de/rfid-frequenzen.html

Tabelle 1 Die Vorteile und Nachteil von unterschiedliche RFID Frequenzen

Die Nutzung einzelner Frequenzbereiche unterliegt häufig der nationalen

Gesetzgebung, so dass gern auf für die Allgemeinheit freigegebene Bereiche

zurückgegriffen wird ( „ISM“- Bänder, also Nutzung für „industrial“, „scientific“,

„medical“ Anwendungen )( 13,56 NHz, 433 MHz, 2,4 GHz; zusätzlich Frequenzen für

„short range devices“ im Bereich um 868 MHz.

Grundsätzlich müssen natürlich auch die Anforderungen der EMV- Normen

eingehalten werden bzw.

3 Aufgabenstellung

3.1 Beschreibung der Aufgabenstellung

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Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Feldstärkemessgerät für den

niederfrequenten Übertragungsbereich entwickelt und realisiert.

3.2 Parameter

Für einen praxisnahen Betrieb wurde folgende Ausführung in Erwägung gezogen:

Handgerät

Batteriebetrieb

Messbereich etwa 100 bis 400 KHz

Linearisierte, frequenzunabhängige Feldstärkeanzeige ( A/m )

3 ½ stellige Digitalanzeige, bedarfsweise mit zwei Empfindlichkeitsbereichen

Hohe Genauigkeit

3.3 Ermittlung der Messbereiche

Da keine Informationen über die erzeugten und üblicherweise verwendeten

Feldstärken verfügbar waren, wurde unter Verwendung einer kommerziellen

Sendeantenne für 125 kHz bei Erregung der Antenne mit unterschiedlichen Strömen

eine graphische Darstellung des Feldstärkeverlaufs durchgeführt

Nachdem sich zeigte, nach welchem Muster diese Linien verlaufen, wurde die

Feldstärke über der Entfernung in Abhängigkeit vom injizierten Strom in axialer

Ausbreitungsrichtung gemessen.

Das erfolgte unter Verwendung einer Messspule nach MilStd 462 E mit

Kalibrierdiagramm; die Kalibrierung dieser Spule wurde in einem Helmholtzsystem

überprüft und bestätigt ( in diesem System kann ein Feld generiert werden, das über

die mechanischen Abmessungen und den injizierten Strom berechnet werden kann,

zusätzlich Überprüfung der Berechnung mit einem Teslameter der Fa. Projekt-

Elektronik, Berlin.

3.4 Definition des Prozesses

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In einem Helmholzsystems wird als Referenz ein Feld bei 100 kHz mit einer

Feldstärke 1A/m erzeugt, die Messsonde in das Feld verbracht und die

Ausgangsspannung hochohmig ( mittels eines Oszilloskops ) gemessen und mit der

im Diagramm angegebenen Spannung verglichen ( kalibriert )

�Feld � Spannung

Abb. 1 Feldstärke effekt

Mit der kalibrierten Messsonde werden die Feldlinien der Spulen ermittelt und

dargestellt. (Abb. 1)

3.4.1 Helmholzspule

Unter einer Helmholtzsystem versteht man ein Paar identisch dünner, parallel

angeordneter Spulen, deren Abstand zueinander ihrem Radius entspricht.

Mit Hilfe einer Helmholtzsystem lässt sich ein möglichst homogenes Magnetfeld

erzeugen.

Erzeugung eines definierten

magnetischen Feldes ,dadurch

entstehende Spannung wird gemessen.

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Abb. 2 Helmholtz Spule

Abbildung 3 zeigt die magnetische Flussdichte zwischen den Windungen. Man kann

sehen, dass die Flussdichte einheitlich zwischen den Windungen mit Ausnahme des

Randbereichs der Spule verläuft.

Abb. 3 Die Oberfläche Farbe-Plot zeigt die magnetische Flussmittel Dichte. Die Pfeile zeigen an, die

magnetische Feldstärke (H) und die Richtung

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Die wichtigste Eigenschaft der Helmholtz-Spule ist, dass der magnetischer Fluss in

einem großen Kugelvolumen mit einem einfachen Spulensystem homogen und

berechenbar wird. Dies ist in Abbildung 4 (a) zu sehen, die ein radiales Flussdichte-

Profil für eine axiale Position zwischen den Wicklungen zeigt. In Abbildung 4 (b) wird

ein axiales magnetisches Flussdichte-Profil dargestellt. Das Modell macht deutlich,

dass das in einer Helmholtz-Spule erhaltene Magnetfeld homogen ist.

Abb. 4 Der magnetische Fluss Dichte Profil. (A) die Parzellen zeigen das Profil entlang einer radial

größten Durchmesser Linie durch das Recht Achse zwischen den Windungen und ein Profil

genommen entlang der Achse (b) getroffen. Ein hohes Maß an Einheitlichkeit ist deutlich gezeigt

3.4.2 Kalibrierung

Als Kalibrierung wird der Vergleich der mit einem Messgerät ermittelten Werte mit

denen einer Referenz oder eines Normals bezeichnet. Dabei wird ermittelt, wie groß

die Abweichung zwischen beiden Werten ist oder ob diese Abweichung innerhalb

bestimmter Schranken liegt. Die gesetzlich vorgeschriebene Kalibrierung eines

Messgerätes ist eine Eichung.

( Unterschied: ein Mitarbeiter des Eichamtes führt eine Eichung durch, der gleiche

Vorgang durch einen normalen Menschen ausgeführt heißt hingegen Kalibrierung ).

Somit ermitteln wir den Zusammenhang zwischen Messwert oder Erwartungswert

der Ausgangsgröße und dem zugehörigen wahren oder richtigen Wert der als

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Eingangsgröße vorliegenden Messgröße für eine betrachtete Mess-Einrichtung bei

vorgegebenen Bedingungen. Bei der Kalibrierung erfolgt kein Eingriff, der das

Messgerät verändert.

Zu einer Kalibrierung gehört

die Definition des Messprozesses (Umgebungsbedingungen, erforderliche Normale,

Vorgehensweise)

Erstellung eines mathematischen Modells zur Auswertung der Kalibrierung unter

Berücksichtigung aller bekannten systematischen Einflüsse

eine Unsicherheitsanalyse mit Hilfe des mathematischen Modells

Angabe eines vollständigen Ergebnisses, d. h. Kalibrierwert und

Kalibrierunsicherheit.

3.4.3 Schwingkreiskompensation

in elektrischer Schwingkreis ist eine resonanzfähige elektrische Schaltung aus einer

Spule (L) und einem Kondensator (C), die elektrische Schwingungen ausführen

kann. Bei diesem LC-Schwingkreis wird Energie zwischen dem magnetischen Feld

der Spule und dem elektrischen Feld des Kondensators periodisch ausgetauscht,

wodurch abwechselnd hoher Strom oder hohe Spannung vorliegen. Die Frequenz f0,

mit der sich dieses im ungestörten Fall periodisch wiederholt, ist:

Abb. 5 Schwingkreis allgemein ( Darstellung mit Schaltzeichen gemäß EN 60617-4:1996)

(1)

wobei L die Induktivität der Spule und C die Kapazität des Kondensators sind. Die

Gleichung nennt man Thomsonsche Schwingungsgleichung.

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Die Resonanzfrequenz der vorliegenden, industriell gefertigten und in einem

Transpondersystem genutzten Spule wurde für 125 KHz festgelegt.

Im Resonanzfall sind der induktive und der kapazitive Blindwiderstand gleich groß;

dabei können ( in Abb.6 bildhaft dargestellt ) „große“ Induktivitäten mit „kleinen“

Kapazität oder umgekehrt kombiniert werden. Der Einfluß auf das weitere

Schwingkreisverhalten bleibt hier unberücksichtigt.

(2)

(3)

bei Resonansfall ,

für die Frequenz 125 KHz lässt sich Kondensator wie unten berechnen,

(4)

Der verwendete Kondensator mit …..bF weist einen Wert der Normreihe auf, so dass

davon auszugehen ist, dass die Spule dazu berechnet wurde.

Einige selbst gewickelte Spulen, die mit Kondensatoren von 14 und 2,4 nF…. auf

Resonanz gezogen wurden, zeigten bei der Feldstärkemessung niedrigere Beträge;

von einer Optimierung des vorliegenden Schwingkreises kann daher ausgegangen

werden.

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Abb. 6 : Schwingkresikompenstion

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4 Einführung

4.1 Überprüfung der Messsonden für die Voruntersuchung

Zwei Messsonden nach MilStd 462 stehen zur Verfügung ( Sonde 1,

Frequenzbereich von 30 Hz bis 100 KHz und Sonde 2, Frequenzbereich von 10 KHz

bis 1 MHz ).

Für diese Sonden stehen Kalibrierdiagramme zur Verfügung, deren Genauigkeit

überprüft wurde.

Tabelle 2 Die Leerlaufspannung der Spulen in Abhängigkeit von der Frequenz bei einer

magnetischen Feldstärke von 100 dB µA /m

Bei einer applizierten Feldstärke bei 100 dB µA /m bei f= 125 kHz generiert Sonde 1

eine Leerlaufspannung von etwa 73 dBµV…., Sonde 2 hingegen 53 dBµV . Diese

Beträge sind nicht hoch präzise, und dienen vielmehr der Orientierungsmessung.

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. (5)

= 0,1 A/m

H /A/m Leerlaufspannung an Sonde 1 /mV Leerlaufspannung an Sonde 2 /mV

0,1 4,47 0,447

1 44,7 4,47

10 447 44,7

100 4470 447,0

Tabelle 3 : Kalibrierung der Sonden

Zur Überprüfung wurden die Spulen in einem vorhandenen Helmholtzsystem auf

Erzeugung der angegebenen Leerlaufspannung überprüft ( Helmholtzsystem mit r =

0, 3 m und je 10 Windungen; die zuvor ermittelte Resonanzfrequenz der Spulen liegt

, bedingt durch die Wickeltechnik, oberhalb 4 MHz ).

Abb. 7 Helmholtzsystem R=30 cm , I=10 mA , N=10

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4.2 Ermittlung des Wandelmaßes der Meßsonden

Aus den mechanischen Abmessungen der Spule und dem injizierten Strom kann die

Feldstärke bzw der für eine gewünschte Feldstärke notwendige Strom berechnet

werden .

H= 1 A/m N=10 , r=0,3, i=?

Aus der Formel

(6)

nachrechnen!!! Für 1 A/m

Das Helmholtzsystem wurde bei einer Spannung bei einer Frequenz von 125 KHz

gespeist. Die Stromstärke wurde in einer Leitung der H-Spule mittels Stromzange

gemessen und über Spannungsvariation eingestellt, Somit wurde ein homogenes

Feld mit einer Feldstärke von 1 A/m erzeugt. Die Feldstärke wurde zusätzlich zur

Berechnung vorsorglich mit einer Messsonde der Fa. Projekt- Elektronik überprüft.

Beide Sonden wurden diesem Feld ausgesetzt, die Leerlaufspannung

oszilloskopisch gemessen. Die in Tabelle 3 berechneten Leerlaufspannungen für

beide Spulen wurden etwa bestätigt

4.3 Durchführung der Messung mit der kalibrierten Messsonde

4.3.1 Aufnahme des Feldlinienverlaufs

Die vorgegebene 125 kHz- Antenne wurde zentral auf Millimeterpapier positioniert.

Die Stelle der Spule wurde mit Punkten gekennzeichnet,

Der in die Spule injizierte Strom wurde zunächst auf 10 mA eingemessen, mit der

Messsonde 1 dann Orte gleicher Feldstärke ermittelt und auf dem Millimeterpapier

vermerkt. Dazu wurde die Sonde in der Umgebung der Antenne bzgl Entfernung und

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Drehwinkel solange verschoben, bis jeweils die gleiche Spannung am Oszilloskop

gemessen wurde

Die auf die Antenne weisenden Linien repräsentieren den Verlauf der Feldlinien, die

rechtwinklig dazu gezeichneten Linien die Orte gleicher Feldstärke. (Abb. 8)

Abb. 8 :Richtdiagramm der vorgegebenen Antenne

Bei den vorbereitenden Messungen wurde ein Strom von 10 mA bei einer angelegten

Spannung von 365 mV erzielt. Verdopplung der Spannung führt somit zu einer

Verdopplung der Stromstärke usw. Bei dieser Meßreihe wurde in 1 cm- Abständen

( von der Kante des Ferrites ausgehend ) in axialer Richtung die Feldstärke bei

unterschiedlicher Stromstärke gemessen. Siehe Tabellen unten

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Generator

Spannung 365 mV 730 mV 1,095 V 1,46 V 1,82 V 2,19 V 2,555 V 2,92 V

Upp

l/cm i=10 mA i=20 mA i=30 mA i=40 mA i=50 mA i=60 mA i=70 mA i=80 mA

1 2,6 5,4 8 10,5 13,2 15,6 19 21

2 1,2 2,4 3,7 4,8 6 7,2 8,6 9,6

3 0,68 1,32 2,1 2,7 3,4 4,2 4,8 5,4

4 0,42 0,84 1,5 1,7 2,1 2,5 3 3,3

5 0,28 0,56 0,84 1,06 1,4 1,7 1,9 2,2

6 0,19 0,4 0,59 0,8 0,96 1,16 1,36 1,6

7 0,15 0,28 0,44 0,57 0,72 0,88 1,04 1,15

8 0,108 0,22 0,37 0,43 0,54 0,65 0,76 0,88

9 0,087 0,17 0,25 0,28 0,42 0,5 0,59 0,66

10 0,07 0,13 0,2 0,26 0,33 0,4 0,47 0,54

U eff


1 0,91 1,90 2,82 3,71 4,66 5,51 6,71 7,42

2 0,42 0,95 1,30 1,69 2,12 2,54 3,04 3,39

3 0,24 0,46 0,74 0,95 1,20 1,48 1,69 1,90

4 0,14 0,29 0,53 0,60 0,74 0,88 1,06 1,16

5 0,098 0,19 0,29 0,37 0,49 0,60 0,67 0,77

6 0,067 0,14 0,20 0,28 0,33 0,41 0,48 0,56

7 0,053 0,098 0,15 0,20 0,25 0,31 0,36 0,40

8 0,038 0,077 0,13 0,15 0,19 0,22 0,26 0,31

9 0,030 0,060 0,088 0,098 0,14 0,17 0,20 0,23

10 0,024 0,045 0,070 0,091 0,11 0,14 0,16 0,19

A/m


1 20,4 42,4 62,8 82,5 103,7 122,5 149,2 164,9

2 9,4 21,2 29 37,7 47,14 56,5 67,5 75,4

3 5,3 10,3 16,5 21,2 26,7 33 37,7 42,4

4 3,2 6,6 11,7 13,3 16,5 19,6 23,5 25,9

5 2,2 4,4 6,6 8,3 11 13,3 14,9 17,2

6 1,51 3,14 4,6 6,2 7,5 9,1 10,6 12,5

7 1,17 2,2 3,46 4,4 5,6 6,9 8,1 9,0

8 0,84 1,7 2,9 3,3 4,2 5,1 5,9 6,9

9 0,68 1,3 1,9 2,2 3,3 3,9 4,6 5,1

10 0,54 1,02 1,57 2,04 2,6 3,1 3,6 4,2

Tabelle 4 Aufnahme der vorgegeben Spule in Upp, Ueff und A/m

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4.3.1.1 Zwischenergebnis

Gemessen wurde bis 80 mA, in Verbindung mit batteriebetriebenen Geräten

erscheint ein extrapolierter Meßwert von etwa 200 A/m bei 1 cm Messabstand als

Maximalwert realistisch.

4.3.2 Optimierung verschiedener Spulen

Auf dem vorgegebenen Ferrit wurden nacheinander drei Spulen L1, L2 und L3

gewickelt.(Abb.9)

Abb. 9 : Spulen mit unterschiedlichen Windungszahlen

L1 L2 L3

Windungszahl 40 100 200

Induktivität ohne Ferrit/ µH 6,7 38 102

Induktivität mit Ferrit/ µH 115 650 1740

Kapazität für 125 kHz/ nF 14 2,48 0,94

Nach Formel (4)

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wurde die Kapazität C= 14 nF gewählt sowie entsprechende Kapazitäten für L2

und L3. Diese Kapazitätswerte werden aus mehreren Kondensatoren

zusammengestellt, wobei die tatsächlich Resonanzerzeugenden Werte kleiner sind

als die berechneten ( Windungskapazitäten ).

Mit Hilfe des Generators wurde in die jeweilige Spule 30 mA Strom injiziert und in 1

cm Abständen bis 10 cm die Leerlaufspannung der Sonde 1 oszilloskopisch ermittelt

und daraus die Feldstärke bestimmt.

L1 ( 40 Wdg )

Tabelle 5 : Aufnahme der Spule mit 115 µH in Upp, Ueff und A/m

L2 ( 100 Wdg )

Upp U eff H (A/m)

l/cm Bei i=30mA Bei i=30mA bei i=30 mA

1 2,16 0,76 16,97

2 1,056 0,37 8,29

3 0,584 0,20 4,58

Upp U eff H (A/m)

l/cm bei i= 30 mA bei i= 30 mA bei i= 30 mA

1 2,7 0,95 21,2

2 1,32 0,46 10,3

3 0,73 0,25 5,74

4 0,46 0,16 3,65

5 0,3 0,10 2,33

6 0,2 0,07 1,57

7 0,16 0,056 1,25

8 0,116 0,041 0,91

9 0,09 0,031 0,70

10 0,07 0,024 0,54

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4 0,368 0,13 2,89

5 0,24 0,084 1,88

6 0,16 0,056 1,25

7 0,128 0,045 1,00

8 0,0928 0,032 0,72

9 0,072 0,025 0,56

10 0,056 0,019 0,43

Tabelle 6 : Aufnahme der Spule mit 605µH in Upp, Ueff und A/m

Die Spule L3 wurde mit 200 Windungen gewickelt. Ihre Induktivität wurde 1,74 mH

gemessen. Dieser Wert ist so hoch, dass die gewünschte Stromstärke von 30 mA

aufgrund der verfügbaren Generatorspannung nicht eingestellt werden konnte.

Daraus folgt , dass keine weiteren Untersuchungen angestellt werden konnten.

Ergebnis:

Beide Spulen erzeugen bei gleichgroßem injizierten Strom ( 30 mA ) eine geringere

Feldstärke als die industriell gefertigte. Ergebnis: geringerer Wirkungsgrad.

Die industriell gefertigte Antenne ist offensichtlich optimiert und dient als Referenz für

weitere Messungen.

:

5 Entwicklung des Feldstärkenmessgerätes

5.1 Meßverfahren

Noch formatieren! Formeln!

Die Verwendung einer Spule als Feldwandler kann auf zwei Arten erfolgen

Über die Messung der Leerlaufspannung einer Spule

U leerlauf ist proportional abhängig von H, f, A, n;

H= magnetische Feldstärke

F= Frequenz

A= Fläche der Spule

n= Windungszahl

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A und n sind konstant, als Variable treten H und f auf.

Oder

Über den Kurzschlussstrom in einer Spule.

I kurzschluß ist proportional abhängig von H, , A, n ( unter der Voraussetzung, dass

die Gesamtleitungslänge << lambda ist )

Gewählt wird die Messung der Leerlaufspannung:

U leerlauf ist proportional abhängig von H, f, A, n;

Dabei soll H gemessen werden, f ist unbekannt, A und n sind konstante, festgelegte

Spulengrößen.

In einer anderen Anwendung konnte ein einfaches Messgerät bei einer konstanten

Frequenz realisiert werden.

Hier wird eine Frequenzgangkompensation notwendig.

5.1.1 Vorgehen hier

Ermittlung einer Messspule, die im gewünschten Frequenzbereich unterhalb der

Eigenresonanzfrequenz misst; diese Spule wird ab schließend den Charakteristika

der anderen Baugruppen angepasst.

Entwicklung eines Verstärkers, dessen Frequenzgang den Anstieg der

Leerlaufspannung bei zunehmender Frequenz kompensiert ( Integratorschaltung ).

Verwendung eines Präzisionsgleichrichters ( im genutzten Frequenzbereich mit

Standard-OPs möglich ).

Möglicherweise umschaltbare Empfindlichkeit.

Anzeige über ein sog. Panelmeter mit entsprechender Beschaltung.

5.2 Vorüberlegungen und Anforderungen

In diesem Kapitel werden grundlegend das Konzept und der Aufbau des

Messgerätes behandelt. Dazu ist es notwendig, zunächst durch Vorüberlegungen,

unter Berücksichtigung der Messfehlerproblematik, eine geeignete Messmethode zu

wählen. Anschließend wird das Schaltungskonzept entworfen und schematisch

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dargestellt. Ein Messgerät wird aufgebaut, die einzelnen Baugruppen überprüft und

eingemessen und assembliert

Das Messgerät besteht aus vier Funktionseinheiten und den Schnittstellen zwischen

den Einheiten (Abb. 10 ).

Abb. 10 : Schematische Darstellung einer allgemeinen Messkette

Eine Messspule (Sensor) soll die aufgenommen Wechselfelder mit Hilfe eines

frequenzabhängigen Verstärkers verstärken und an einen Gleichrichter übergeben,

der wiederum die gleichgerichtete Größe an einem Handgerät anzeigen soll

(Messwertausgabe).

Die dem zu mewssenden Feld entnommene Energiemenge wird als so gering

eingescvhätzt, dass durch die Einwirkung des Messgerätes keine nennenswerten

Fehler entstehen.

5.3 Schematischer Aufbau einer Messeinrichtung

Das Messgerät wird in drei Funktionseinheiten unterteilt (Abb. 10). In der ersten

Einheit ( Sensor , Messaufnehmer) wird die zu erfassende Messgröße ( hier:

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hochfrequent3es H- Feld ) in ein elektrisches Signal umgeformt ( Leerlaufspannung

der Spule ).).

Abb prüfen!

Abb. 11 Sensor als erstes Glied einer Messkette

Der hier verwendete Sensor basiert auf dem physikalischen Effekt der Induktion; die

Ausgangsgröße ist somit eine Funktion der Messgröße. Ein passiver Sensor erzeugt

ein Spannungssignal ohne externe Energiequelle.

Die hier generierte, weitrzuverarbeitende Größe ist abhängig von zwei Variablen,

nämlich der eigentlich zu messenden H- Feldstärke und der Frequenz des Signals.

Mit zunehmender Frequenz steigt – bei konstanter Feldstärke – die

Leerlaufspannung linear an.

Um trotzdem eine frequenzunabhängige Ausgangsgröße zu erhalten, wird ein

Verstärker mit Frequenzgangkompensation eingesetzt.

Für die Anzeige der gemessenen Größe folgt eine weitere Funktionseinheit, (z.B.

digitale Anzeige) , die gleichzeitig auch die Versorgungseinheit ( Batterie ) enthält..

einzelnen Komponenten dargestellt.

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Abb. 12 Schematischer Aufbau des Messgerätes

Bei der Festlegung einer geeigneten mechanischen Schnittstelle zwischen den

Einheiten wurde nach Verfügbarkeit entschieden.( Signalzuführungen über 9-polige

SUB- D- Buchsenleisten.

Wichtig erschien eine weitgehendfe Trennung zwischen dem eigentlichen Seisor, der

dem Messfeld ausgesetzt wird, einer ausreichenden mechanischen Entkopplung zur

Verstärker- Gleichrichtereinheit ( Spule an 20 cm langem Rohr befestigt ) sowie einer

Trennung zum abgesetzten Hauptgerät mit der Anzeigeeinheit. Somit kann mit der

Sonde beliebig manipuliert, gleichzeitig aber der Messwert ungestört abgelesen

werden.

5.4 Messprinzip

DOPPELT wohin genau?

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Nach den bisher erwähnten Anforderungen ergeben sich zwei mögliche Varianten,

die als Nächstes erläutert werden.

Erstens: Messung der Leerlaufspannung einer offenen Luftspule

Messprinzip : U0 ~ A U0 ~ ƒ U0 ~ Η ( 7 )

Zweitens: Messung des Kurzschlussstromes einergeschlossenen Luftspule

Messprinzip : I0 ~ A I0 ~ Η (Umfang << λ ) ( 8 )

Der Entscheidungsgrund für das erste Messprinzip ( Unull ) liegt darin, dass für die

Messung des Kurzschlussstromes ein extrem niederohmiger, HF- tauglicher

Messwandler benötigt wird. Die kurzgeschlossene Variante wäre bevorzugt geeignet

für Messgeräte, die für ein breites Frequenzspektrum vorgesehen sind.

Die Aufnahme der magnetischen Komponente des Feldes erfolgt durch eine Spule,

die als Sensor dient. Hierbei wird die Proportionalität der Leerlaufspannung zu

Fläche, Frequenz und Feldstärke genutzt. Dort werden die Feldkomponenten in eine

Wechselspannung umgewandelt.

Für die vorgesehen Bandbreite von etwa 50 bis etwa 500 kHz soll ein Integrator

frequenzabhängig die Verstärkung kompensieren, so dass er anschließend am

Ausgang immer eine konstante Größe für die jeweilige gemessene Feldstärke

ausgibt.

Ein Präzisionsgleichrichter erzeugt dann eine dem Feld proportionale

Gleichspannung. Danach ist die Rahmengröße der Feldsonden für die zu messende

Feldstärkengrößenordnung zu bemessen. Eine präzise Messung wird dadurch

ermöglicht, dass die Sonde sowohl vom Wandler als auch vom Messgerät abgesetzt

angeordnet ist.

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Die Sonde ist steckbar und der Sondenkopf etwa 20 cm vom Wandler und bzw.

80cm mittels eines Kabels vom Messgerät abgesetzt.

Abb. 13 ESB des Messempfängers

5.5 Schaltungskonzept und Realisierung der einzelnen Funktionseinheiten

In den nächsten Abschnitten wird die schaltungstechnische Realisierung der

Funktionseinheiten beschrieben. Bauelemente werden funktionskorrekt mit möglichst

kurzen Leitungen verbunden. Als Trägermaterial dient eine Lochrasterplatte mit

einem Punktraster von 2,54mm. Vor der endgültign Montage wurden die zunächst

getrennt realisierten Schaluntgsteile überprüft ( Integratorverstärker,

Präzisionsgleichrichter ).. Erst nach einer erfolgreichen Überprüfung konnte

anschließend der Aufbau mit den vorgesehenen Bauelementen umgesetzt werden.

5.5.1 Integrator

Der invertierende Verstärker eignet sich hervorragend als aktiver Filter. Die

Grundschaltung des Integrators ist der invertierende Verstärker (Abb 13). Der

Rückkopplungswiderstand ist durch einen Kondensator ersetzt. Mit dem Kondensator

wird die Rückkopplung vom Ausgang auf den Eingang frequenzabhängig gemacht.

Dadurch wird die ganze Schaltung frequenzabhängig .Mit steigender Frequenz

nimmt die Ausgangsspannung ab. Der Integrator zeigt Tiefpassverhalten und

ermöglicht in einer Bandbreite die gemessene Feldstärke konstant zu halten, indem

er die Verstärkung proportional zur Frequenz absenkt.

Um den Gleichspannungsbedürfnissen des OP Rechnung zu tragen, wird ein

hochohmiger ohmscher Widferstand parallel zum Rückkopplungskondensator

eingefügt.

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Abb. 14 Integrator

Bevor alle Komponenten des Geräts montiert werden, ist eine Überprüfung dr

einzelnen Baugruppen notwendig, um zum Einen die gewünschte Funktion zu

überprüfen, zum Anderen mögliche Fehler zu finden und rechtzeitig zu beseitigen.

Während der anfänglichen Messungen am Verstärker wurde eine Schwingneigung

der Schaltung beobachtet; das hätte am Ausgang zu fehlerhaften Meßgrößen

geführt.

Als Maßnahme wurden 2 Kondensatoren jeweils zwischen Masse und der positiven

wie der negativen Betriebsspannung am OP gelötet.

Bestückungsliste ist im Anhang C beigelegt.

5.5.2 Messtechnische Überprüfung

Von 10 KHz bis 1000 KHz wurde für ein Spannungsintervall von 125 mV bis 1 V eine

Messung durchgeführt.(Tabelle 6)

Aus den Balkendiagrammen ist zu erkennen, dass der Verstärker bis zu einer

Eingangsspannung von 625 mV seine Proportionalität präzise hält. Lineares

Verhalten zeigt der Verstärker zwischen 0.6 V und 6 V.

Ueff 0,125 0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 0,875 1

10 KHz 2,82 7,95 0 0 0 0 0 0

50 KHz 1,14 2,33 3,46 4,59 5,65 7,07 8,13 0

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100 KHz 0,56 1,13 1,76 2,29 2,89 3,46 3,81 4,52

250 KHz 0,22 0,45 0,70 0,91 1,16 1,34 1,62 1,83

500 KHz 0,12 0,23 0,35 0,45 0,565 0,70 0,81 0,92

750 KHz 0,08 0,15 0,22 0,31 0,38 0,46 0,56 0,63

1000 KHz 0,06 0,13 0,17 0,24 0,29 0,34 0,38 0,46

Vertärkung 0,125 0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 0,875 1

10 KHz 22,6 31,8 0 0 0 0 0 0

50 KHz 9,1 9,3 9,2 9,19 9 9,4 9,29 0

100 KHz 4,5 4,5 4,7 4,59 4,6 4,6 4,36 4,5

250 KHz 1,8 1,8 1,8 1,83 1,86 1,79 1,85 1,8

500 KHz 0,96 0,93 0,94 0,9 0,9 0,94 0,9 0,9

750 KHz 0,7 0,63 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6

1000 KHz 0,48 0,52 0,47 0,48 0,47 0,45 0,44 0,46

Tabelle 7 Verstärkung 10-1000 KHz

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Abb. 15 Vertstärkung in Diagramm

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5.5.3 Gleichrichter-Einheit

Der Verstärker liefert im angegebenen Frequenzbereich eine maximale

Ausgangsspannung von etwa 6 V.

Diese hochfrequente Spannung muß in eine Gleichspannung umgewandelt werden.

Die Gleichrichtung mittels eines einfachen Dioden- Ein- oder Zweiweg- Gleichrichters

wird aufgrund der Diodencharakteristik keine lineare, direkt proportionale

Ausgangsgröße ergeben.

Dazu eignet sich eine Präzisionsgleichrichterschaltung, die im Gegensatz zu

einfachen Gleichrichterschaltungen vermeidet, dass sich die im Anfangsbereich stark

nichtlineare Diodenkennlinie direkt in der Gleichrichterkennlinie niederschlägt.

Funktion des Präzisionsgleichrichters: Das Prinzip des Gleichrichters beruht darauf,

dass durch zwei Operationsverstärker das Eingangssignal zunächst zweifach

verstärkt wird (Abb. 16).

Abb. 16 Präzisions-Vollweg-Gleichrichter mit geerdetem Ausgang

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Diese Schaltung besteht aus zwei getrennten Funktionseinheiten. In der ersten

Funktionseinheit wird das Signal zweifach verstärkt und dem in der zweiten

Funktionseinheit einweggleichgerichtetem Signal addiert. Dadurch wird eine der

Halbwellen subtrahiert, die andere wird erhalten. Es resultiert eine pulsierende

Gleichspannung, die mithilfe eines Kondensators geglättet wird und proportional der

Eingangsspannung ist.

Ausgangsspannung : ( 9 )

Für sinusförmige Wechselspannung: ( 10 )

Diese Ausgangsgleichspannung bezieht sich auf „Masse“.

Wirkungsweise OP1:

Zitat: „Bei positiven Eingangsspannungen wirkt OP1 als Umkehrverstärker mit der

Verstärkung 1. Daraus folgt, dass u2 negativ wird. Die Diode D1 ist leitend, und D2

sperrt. Es wird u1 = −ue . Bei negativen Eingangsspannungen wird u2 > 0. D1 sperrt in

diesem Fall; D2 wird leitend und koppelt den Verstärker gegen. Hierdurch wird

verhindert, dass OP1 übersteuert wird; daher bleibt der Summationspunkt auf

Nullpotenzial. Da D1 sperrt, wird

u1 = 0 (Spannung am Summationspunkt).

u1 hat demnach folgenden Verlauf:

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Die Abbildung (Abb. 17) zeigt den Verlauf für eine sinusförmige Eingangsspannung.

Abb. 17 Spannungsverlauf bei sinusförmiger Eingangsspannung

->Funktion OP1: Einweggleichrichter

Wirkungsweise OP2:

Ohne den Kondensator C ist der OP2 ein Additionsverstärker.

Er bildet den Ausdruck:

−ua = n ⋅ (ue + 2u1). ( 27 )

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Durch Einsetzen von u1 folgt::

( 11 )

Dies entspricht der Gleichung des idealen Vollweggleichrichters. Der Kondensator C

bildet zusammen mit 2 ⋅ n ⋅ R2 einen Tiefpassfilter. Daher ist die Ausgangsspannung

gleich dem arithmetischen Mittelwert der vollweggleichgerichteten

Eingangsspannung. Bedingung für Gültigkeit der Ausgangsspannung Ua in Gleichung

(24) ist, dass die Filterzeitkonstante groß ist gegenüber der Schwingungsdauer von

ue . Der Verstärker OP1 muss eine Bandbreite besitzen, die gegenüber der Frequenz

der Eingangsspannung groß ist, da beim Gleichrichten viele Oberwellen entstehen.

Das Ergebnis ist die gewünschte lineare Abhängigkeit zwischen Aus- und

Eingangsgröße. Neben der Abnahme der Nichtlinearität verringert sich beim

Präzisionsgleichrichter zusätzlich die Durchlassspannung und die

Temperaturabhängigkeit der Dioden. Es entstehen hierdurch wesentlich schärfere

Begrenzungskennlinien. Vor der Auswahl eines geeigneten Diodentyps für die

Präzisionsschaltung wurden unterschiedliche Lineraritätskurven drei verschiedener

Dioden (Ge, Si und Schottky) bei Eingangsspannungen zwischen 1mV − 10V

aufgenommen. Die Auswertung hat gezeigt, dass der Einsatz von Silizium-Dioden

bei Präzisionsgleichrichtern das gewünschte Linearitätsverhalten aufweist. Die

Überprüfung kleiner Abweichungen ist als Toleranzdiagramm aufgezeichnet worden

und bestätigt durch einen nahezu horizontalen Verlauf die Gleichmäßigkeit der

Wandlung. Diese ist durch eine Abweichung von 1,5% vom Sollwert gekennzeichnet

(siehe Anhang D2). Die Auswertung erfolgte grafisch mithilfe von Excel.

In der Regel ist ein Messgleichrichter erwünscht, bei dem die Gleichspannung in

einem weiten Frequenzbereich der Wechselspannung proportional ist. Hierzu werden

Operationsverstärker verwendet, die eine gleichmäßig große Verstärkungs-

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Bandbreite (Unity-Gain Bandwidth) und eine kurze Anstiegszeit aufweisen (Slew

Rate). Für den vorgesehenen Messvorgang ist eine Bandbreite von 50 Khz bis 400

KHz von der Bedeutung. Was die Anstiegszeit angeht, wurde bei einem Testablauf

das Übertragungsverhalten des relativ günstigen und gängigen

Operationsverstärkers vom Typ LF412 überprüft. Das Übertragungsverhalten zeigt

(Abb. 16), dass unter der Berücksichtigung des festgelegten Arbeitsbereiches Α

(0..7V) , ein für die vorgesehene Anwendung ausreichendes Ergebnis.

Tabelle von Okay, durch eigene Messung ersetzen!!!

Abb. 18 Übertragungskennlinie des OPV : LF412

Dieser Bereich sichert die bestimmungsgemäße Funktion des Gleichrichters. Das

Besetzungsverhältnis zwischen der maximal messbaren Leerlaufspannung von 10V

und der gleichgerichteten Spannung für die Ausgabe-Einheit (digitale Anzeige) ist

aus dimensionstechnischen Gründen auf 5V reduziert worden. Auch dieser

Arbeitsbereich (Arbeitsbereich B) sichert eine zufrieden stellende und sichere

Funktion des Gleichrichters.

V/f 50 KHz 100 KHz 200 KHz 300 KHz 400 KHz 500 KHz 600 KHz

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0,25 -0,218 -0,214 -0,208 -0,194 -0,181 -0,169 -0,167

0,5 -0,453 -0,44 -0,43 -0,415 -0,404 -0,396 -0,374

0,75 -0,676 -0,667 -0,655 -0,641 -0,618 -0,602 -0,592

1 -0,9 -0,897 -0,884 -0,865 -0,841 -0,828 -0,803

1,25 -1,141 -1,126 -1,12 -1,12 -1,09 -1,04 -1,04

1,5 -1,35 -1,355 -1,33 -1,3 -1,28 -1,24 -1,23

1,75 -1,59 -1,583 -1,58 -1,54 -1,5 -1,46 -1,44

2 -1,8 -1,785 -1,78 -1,76 -1,73 -1,66 -1,61

2,25 -2,04 -2,033 -2,02 -1,97 -1,92 -1,87 -1,79

2,5 -2,27 -2,251 -2,24 -2,19 -2,12 -2,03 -1,98

2,75 -2,47 -2,518 -2,45 -2,42 -2,33 -2,22 -2,14

3 -2,72 -2,692 -2,68 -2,62 -2,52 -2,33 -2,37

3,25 -3 -3,03 -3,03 -2,9 -2,81 -2,58 -2,7

3,5 -3,2 -3,24 -3,22 -3,11 -2,96 -2,67 -3,06

3,75 -3,45 -3,44 -3,38 -3,35 -3,07 -2,97 -3,35

4 -3,68 -3,71 -3,68 -3,44 -3,16 -3,18 -3,72

4,25 -3,89 -3,85 -3,83 -3,65 -3,22 -3,41 -4,18

4,5 -3,97 -3,93 -3,91 -3,8 -3,41 -3,72 -4,23

4,75 -3,9 -3,91 -3,86 -3,71 -3,38 -3,71 -4,19

5 -3,84 -3,81 -3,79 -3,58 -3,35 -3,67 -4,13

5,25 -3,73 -3,73 -3,71 -3,42 -3,3 -3,64 -4,07

5,5 -3,6 -3,61 -3,57 -3,31 -3,28 -3,58 -4,02

Tabelle 8 Linearität des Gleichrichters in Tabelle

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Abb. 19 Linearität des Gleichrichters in Diagramm

Die Gleichrichter hat bis etwa 2 eine ausreichend ineare Charakteristik.

5.5.4 Versorgungs-Einheit mit DC/DC-Wandler

Geplant ist der betrieb als Handgerät, d.h., als Stromversorgung wird eine 9 V-

Batterie gewählt, die auch insbesondere im Batteriefach des verwendeten

kommerziellen Gehäuses Platz findet.:

Die zum Einsatz kommenden Operationsverstärker benötigen zum Betrieb ±12V . (

Betrieb der Operationsverstärker mit 9V Versorgung zeigt nicht die gewünschte

Linearität )

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Als Anzeigeeinheit wird ein handelsübliches sog. Panelmeter verwendet, eine

komplette Baugruppe mit Eingangsverstärker usw und Anzeige mitf einem 3 1/2

stelligen Flüssigkristall- Display ( LCD ).

Diese Anzeigeeinheit kann direkt über den Schalter mit der 9 V- Batterie versorgt

werden.

Minusanschluß der Betriebsspannung und Minusanschluß des Messeingangs sind

bei diesen Schaltungen nicht identisch. Um die für den Betrieb von Verstärker und

Gleichrichter notwendige symmetrische Betriebsspannung zu erzeugen, wird –

ebenfalls als fertig verfügbare Komponente – ein DC-DC- Wandler verwendet. .

Durch den DC/DC–Wandler wird eine Gleichspannung in eine andere umgewandelt.

Dazu wird die Versorgungsspannung hochfrequent zerhackt, über HF-

Transformatoren auf den gewünschten Sekundärspannungsbetrag gebracht,

gleichgerichtet und durch Ta-Kondensatoren (C=10µF) gesiebt. Der hier verwendete

DC/DC-Wandler ist vom Typ SIM 2-0915D-SIL7 und liefert bei einer Versorgung von

9VDC mindestens die benötigten ±12V . Seine Leistungsübertragung beträgt 2W bei

82mA Stromaufnahme. Für die Betriebsspannung des Messgerätes wurde

letztendlich eine 9V Batterie verwendet.

Es wurde eine Reihe von Messungen durchgeführt, um die minimale

Betriebsspannung für einen hinlänglich linearen Betrieb zu ermitteln. Die Messungen

haben gezeigt, dass die DC/DC-Versorgungsspannung mindestens 7,5V betragen

muss, andernfalls ist kein korrektes Messergebnis zu erwarten. Zur Signalisierung

einer Unterspannung ist eine Batteriekontrollleuchte eingebaut worden.

In der Schaltung ist die Umsetzung dieser Kontrollfunktion durch einen Komparator

realisiert worden, der seine Ansprechschwelle bei 7.5 V hat.

5.5.5 LCD-Einheit

Die verwendete LCD-Einheit ist vom Typ ………... Sie eignet sich durch die geringen

Maße und durch den geringen Stromverbrauch von 2mA für den Einsatz in mobilen

Handgeräten.

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Als Darstellung dient eine 3 1/2stellige 7- Segmentanzeige mit wählbarem Dezimal

punkt

Der Skalenendwert beträgt „200mV“ ( 199.9 ) und ist dementsprechend

schaltungstechnisch berücksichtigt worden. Die Genauigkeit der verwendeten

Anzeige beträgt typisch 0,05% und maximal 0,1%.

(Abb. 20) zu entnehmen. Anschließend folgt der Belegungsplan (Abb. 21).

Abb. 20 Ansteuerung der LCD-Messeingänge; Multi-Voltmeter

Auf eine zunächst geplante Möglichkeit der Umschaltung des Dezimalpunktes wurde

verzichtet; der Dezimalpunkt wird über eine Drahtbrücke durch einen High-Pegel

(Abb. 22).

Der kleinste darstellbare Messbereich für die vorgesehene Anwendung beträgt

„199,9“ A/m..

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Abb. 21 Schaltung der Dezimalpunktsteuerung

Abb. 22 Beispiele für die Dezimalpunktansteuerung: a) 199,9 ; b) 1,999

5.6 Fertigung des Messgerätes

In diesem Kapitel wird die Fertigungsarbeit der Messgerät-Entwicklungsschritte

fotodokumentierend veranschaulicht.

Das Feldstärkenmessgerät besteht aus einem kompakten Kunststoffgehäuse im

handlichen Format.

Bei der Dimensionerung des Geräts ist auf die optimale mechanische Anpassung der

Leiterplatte(n) zu achten.

5.6.1 Gehäuse für die Verstärker und Gleichrichter-Einheit

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Abb. 23 Verstärker &Gleichrichtergehäuse

Die Verstärker &Gleichrichter-Einheit (Abb. 22) besteht aus einem zweiteiligen PVC-

Gehäuse. Das Gehäuse ist durch vier seitlich angebrachte M3-Gewindebuchsen für

die Befestigung einer Leiterplatte geeignet.

Die Schmalseiten des Gehäuses sind abtrennbar, so dass man Sub-D.-Buchsen

montieren kann, die von der einen Seite mit dem Anzeigegerät, von der anderen mit

der Sonde verbunden werden.

5.6.2 Zusammensetzung der Verstärker-Gleichrichter-Einheit

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Abb. 24 Verstärker-Gleichrichter-Einheit

Die Verstärker-Gleichrichter-Einheit ist, wie in Abbildung (Abb. 25) zu erkennen, aus

folgenden Baugruppen zusammengesetzt worden:

o Integrator, bestehend aus einem OP vom Typ: LF411

o Präzisionsgleichrichter, bestehend aus einem OP vom Typ: LF412A

o 2X SUB-D-Buchsen zum Empfangen des Signals und Ausführen der Signale zum

Messgerät

5.6.3 Sondenadapter

Abb. 25 a) Sondenadapter, b) Makrolon-Rohr als Träger

Als Sondenträger wurde eine Eigenkonstruktion ( Sub- D- Stecker mit Makrolonrohr )

verwendet. Die Verbindung zum Handgerät ferolgt ebanfalls über Sud-D-

Komponenten und ein handelsübliches Datenkabel.

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Der lackisolierte Kupferdraht (Abb. 24b) wird an die Pins der SUB-D-Kupplung

gelötet.

Abb. 26 a) SUB-D-Pinbelegung, b) Sondenadapter mit Makrolon-Rohr

Im Inneren des Makrolon-Rohr wereden auch die verdrillten

Spulenanschlussleitungen geführt.

5.6.4 Messgerätgehäuse

Abb. 27 Gehäuse a) Rückansicht, außen: b) Frontansicht, außen

Das Gehäuse für das Messgerät besteht aus zwei Teilen. Die Frontseite (Abb28a)

bietet ausreichend Platz für die vorgesehenen Bedienelemente. Die Unterseite (Abb.

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28b) ist mit einem schließbaren Fach versehen, das für Batterien vom Typ 9V

genutzt wird. Die Tiefe des Gehäuses reicht aus, um an der Stirnseite des Gehäuses

eine SUB-D-Buchse für die Signalzuführungen anzubringen.

4.5.5 LCD-Einheit

?????

Die lCD- Einheit wird in einen passenden Gehäuseausschnitt verbracht und durch

Rastung fixiert.

Abb. 28 LCD-Einheit: a) LCD-Gehäusebefestigung b) Geklemmt

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5.6.5 Verteilung der Funktionsgruppen

Abb. 29 Zusammengesetztes Messgerät (Innenansicht)

Die Zusammensetzung des Messgerätes (Abb. 30) erfolgte aus folgenden

Komponenten:

O LCD Einheit als Anzeige

o Ein DC/DC-Wandler dient zur Spannungsversorgung der OPs.

o Eine rote LED-Anzeige signalisiert eine niedrige Batteriespannung.

o Das Messgerät wird durch einen Kippschalter eingeschaltet.

o Eine vorne angebrachte SUB-D-Kupplung dient als Schnittstelle zur Verstärker-

Gleichrichter-Einheit.

o Alle mechanischen und elektronischen Bauelemente sind auf der Leiterplatine 1

zusammengeführt. Die Ansteuerung der LCD-Anzeige erfolgt ebenfalls auf dieser

Leiterplatte.

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5.6.6 Schnittstelle am Messgerät

Abb. 30 SUB-D-Schnittstelle: a) Pin-Nummerierung der Schnittstelle, b) SUB- D-Kupplung

Die Schnittstelle am Messgerät ist durch eine 9-polige SUB-D-Schnittstelle

(Abb. 28) realisiert worden.

Die Pin-Belegung (Abb. 31) ist aus der folgenden Tabelle (Abb. 32) zu entnehmen:

Pin Belegung

Abb. 31 Pin-Belegungsplan an der Messgerätschnittstelle

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Die Länge der Verbindungsleitung zwischen dem Messgerät und der Verstärker-

Gleichrichter- Einheit beträgt 1 m. Eine Gesamtübersicht über die Pin-Belegungen

aller Schnittstellen liegt im Anhang I bei.

5.6.7 Endmontiertes Messgerät

Abb. 32 Ansicht des Messgerätes: a) M. Rückansicht b) Messgerät Frontansicht

Die Rückansicht (Abb. 30a) zeigt den geöffneten Zustand des Batteriefaches, das für

9 V Batterien vorgesehen ist.

Auf der Frontansicht (Abb. 30b) ist mit Schalter und Anzeige Elementen angeordnet

im fertigen Zustand zu sehen.

5.7 Funktionsprüfung des Messgerätes

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Nachdem bereits das Messgerät bzw. die Verstärker-Gleichrichter-Einheit

unabhängig voneinander überprüft worden sind, musste anschließend die

Gesamtfunktion beider Einheiten geprüft werden.

Die Feldsubstitution wurde von einem Funktionsgenerator übernommen, dessen

Frequenz zwischen 10 bis 500 KHz und einer Lerlaufspannung (U0) von 0,6 bis 6V

betrieben wurde. Die 6 Volt wurde aus einem besonderen Grunde ausgewählt . Nach

der Messung (tabelle 6) am Verstärker wurde festgestellt, dass er zwischen etwa 50

un d etwa 500 kHz die gewünschte abnehmende Verstärkung hat. Nach Tabelle 6

soll liegt bei maximaler, frequenzabhängiger Verstärkung am Ausgang des

Verstärkers eine Spannung von etwa 5,6 V an, Durch die Spannungsteiler soll der

Gleichrichter die für den linearen Betrieb notwendige maximale Spannung von 2 V

bekommen. Die nach dem Gleichrichter erhaltene 1,7 V Gleichspannung wird durch

den nächsten Spannungsteiler auf 0,2 V reduziert und auf die Anzeige des

Messgeräts gelegt..(Abb.34)

Die Wechselspannung wurde nacheinander auf die Pins 2/4, des SUB-D-

Anschlusses am Sondenadapter eingekoppelt, sodass die Anzeige-Einheit am

Messgerät die angelegte Spannung anzeigen konnte.

Der durch die Einfügung der Generatorimpedanz entstehende Fehler ist kleiner als

0,7% und kann daher vernachlässigt werden. Bei der Bedienung des Messgerätes ist

darauf zu achten, dass die Messbereiche nur in Verbindung mit der dazugehörigen

Sonde ein korrektes Ergebnis liefern.

Abb. 33 Veranschaulich auf die komplette Schaltung

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6 Entwicklung der Feldsonden und Beschreibung des M esssystems

6.1 Vorüberlegungen (Anforderungen an die Feldsonde)

Für die Festlegung des Leiterquerschnitts der Feldsonden wurde lackisolierter

Kupferdraht mir einem Durchmesseser von 0,22 mm nach Verfügbarkeit verwendet.

(Abb.35)

Abb. 34 0,22 mm Kupferdraht

Das vermessene Feld beträgtt nach den Voruntersuchungen bis 200 A/m. Für diese

Feldstärke ist keine Überlastung zu erwarten. . Demnach ist ein lackisolierter

Kupferdraht mit 0,22mm Durchmesser ohne Bedenken für diesen Anwendungsfall

verwendbar (Abb. 35).

6.2 Überblick über das Messverfahren und theoretischer Hintergrund

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Bei den Wellenlängen des vorgesehenen Frequenzbereichs ist nur die magnetische

Komponente des elektromagnetischen Feldes interessant, deswegen werden

überwiegend die Eigenschaften magnetischer Antennen behandelt.

Für die Aufnahme von magnetischen Feldlinien eignen sich so genannte Ring

antennen (Abb. 33)

Ihr Aufbau weist meist einen kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt auf.

Abb. 35 Ringantenne (prinzipieller Aufbau)

Die Abbildung (Abb. 36) veranschaulicht schematisch die Entwicklung einer

Ringantenne

Allgemein muss unterschieden werden, ob die Spule auf einen magnetisierbaren

Kern gewickelt wird, oder ob sie als sogenannte Luftspule ganz ohne Wickelkern

oder auf einen Isolierkörper gewickelt wird. Hier sollen zunächst Luftspulen

betrachtet werden.

Nach dem Induktionsgesetz ist die in der Leiterschleife induzierte Spannung

proportional zur Flussänderung in der Spule. Wenn die Spule einem magnetischen

Wechselfeld ausgesetzt wird, wird in ihr eine EMK induziert, die im Leerlauf in dem

Kreis eine gleichgroße Leerlaufspannung U0 (Gl. 30) hervorruft.. Mit der Kreisfläche A

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in m2, der Frequenz ƒ in Hz und der Windungszahl n ergibt sich bei der Ringantenne

die Leerlaufspannung

(30)

wobei bei optimaler Ausrichtung cosϕ = 1 wird.

Zur Ermittlung der magnetischen Feldstärke wird ( siehe …… ) die Leerlaufspannung

der offenen Spule genutzt. Diese hängt von der magnetischen Feldstärke, der

umspannten Fläche, der Frequenz und der Windungszahl (Gl. 30) ab. Aus diesen

wurde bei einer durch die Mechanik des Trägerrohres definierten Fläche die

Windungszahl so gewählt werden, dass sich bei einer H- Feldstärke und einer

Frequenz von 500 kHz und 200A/m eine Leerlaufspannung von 6V (Abb. 5.2-3)

ergibt .

Eine weitere Sonde ist aus den Dimensionen der kleinen Sonde abgeleitet

worden und sind für die Feldmessung unmittelbar um den Prüfling vorgesehen.

Sonde [Empfindlichkeit] Durchmesser Windungen Rahmenfläche

200 A/m 12 mm 64

20 A/m 22 mm 200

Abb. 36 Berechnung der Rahmenlänge bei U0 = 0,6 V

Die in der Tabelle errechneten Durchmesser sind bei der Fertigung berücksichtigt

worden.

6.3 Fertigung der Sonden

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Im folgenden Kapitel werden die Fertigungsarbeiten der Sonden dokumentiert und

mit Fotos veranschaulicht. Der Aufbau der drei Sonden erfolgte in drei

Arbeitsschritten.

6.3.1 Wickelkörper

Die Einhaltung der festgelegten und für die Berechnung verwendeten

Rohrdurchmesser wurde durch einen Wickelkörper vereinfacht (Abb. 37 ).

Abb. 37 Sondenkörper

7 Kalibriervorgang des Messgerätes

Die Reproduzierbarkeit von Messergebnissen und der normgerechte Nachweis von

Feldstärken sind wichtige Kriterien einer Kalibrierung.

Der Kalibriervorgang für derartige Messgeräte stellt eine Herausforderung dar.

Der Prüfaufbau setzt ein berechenbares Vergleichsfeld mit 200 A/m voraus. Dazu ist

es notwendig, ein magnetisches Wechselfeld mit ausreichend großer Homogenität zu

erzeugen (Norm-Magnetfeld). Kalibrierung mit Helmholzspule

Der Kalibriervorgang diente dazu, die Homogenität des Feldes bzw. die Rastergröße

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abschätzen zu können, die für die eigentliche Messung geeignet ist. Im Anschluss an

den Kalibriervorgang ist eine Betrachtung der möglichen Messfehler aufgeführt. Als

Anmerkung ist hinzuzufügen, dass Personen das magnetische Feld nicht

beeinflussen, sodass das Messgerät vom Messenden direkt ins Feld gebracht

werden darf. Nennenswerte Verzerrungen des magnetischen Feldes sind nur durch

Gegenstände aus ferromagnetischen Metallen zu erwarten.

8 Fazit

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9 Anhänge

9.1 Datenblätter

Unnumeriert im Anhang

9.2 Literaturverzeichnis

Internetquellen :

9.3 Meßgeräteliste

Inv.-Nr Gerätetyp Bezeichnung Hersteller Seriennr.

50138 Speicheroszilloskop 0,5

GHz

9350 CL LeCroy 13023

50121 NF- Generator SPN R&S 881625/005

NF- Generator SPN Agilent

50122 RLC- Meßbrücke VideoBridge 2000 ESI

50123 Speicheroszilloskop 0,2

GHz

THS 730 A Tektronix B011749

50125 Digitalvoltmeter 3456 A HP 2825A-20387

Noch ergänzen

9.4 Abbildungsverzeichnis

Abb. 1 Feldstärke effekt ........................................................................................................................... 7

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Abb. 2 Helmholtz Spule ............................................................................................................................ 8

Abb. 3 Die Oberfläche Farbe-Plot zeigt die magnetische Flussmittel Dichte. Die Pfeile zeigen an, die

magnetische Feldstärke (H) und die Richtung ......................................................................................... 8

Abb. 4 Der magnetische Fluss Dichte Profil. (A) die Parzellen zeigen das Profil entlang einer radial

größten Durchmesser Linie durch das Recht Achse zwischen den Windungen und ein Profil genommen

entlang der Achse (b) getroffen. Ein hohes Maß an Einheitlichkeit ist deutlich gezeigt ........................... 9

Abb. 5 Schwingkreis allgemein ( Darstellung mit Schaltzeichen gemäß EN 60617-4:1996) .................... 10

Abb. 6 : Schwingkresikompenstion ......................................................................................................... 12

Abb. 7 Helmholtzsystem R=30 cm , I=10 mA , N=10 ............................................................................. 14

Abb. 8 :Richtdiagramm der vorgegebenen Antenne ............................................................................... 16

Abb. 9 : Spulen mit unterschiedlichen Windungszahlen ......................................................................... 18

Abb. 10 : Schematische Darstellung einer allgemeinen Messkette ........................................................... 22

Abb. 11 Sensor als erstes Glied einer Messkette ...................................................................................... 23

Abb. 12 Schematischer Aufbau des Messgerätes ..................................................................................... 24

Abb. 13 ESB des Messempfängers ............................................................................................................ 26

Abb. 14 Integrator .................................................................................................................................... 27

Abb. 15 Vertstärkung in Diagramm ......................................................................................................... 29

Abb. 16 Präzisions-Vollweg-Gleichrichter mit geerdetem Ausgang .......................................................... 30

Abb. 17 Spannungsverlauf bei sinusförmiger Eingangsspannung ............................................................. 32

Abb. 18 Übertragungskennlinie des OPV : LF412 ...................................................................................... 34

Abb. 19 Linearität des Gleichrichters in Diagramm ................................................................................... 36

Abb. 20 Ansteuerung der LCD-Messeingänge; Multi-Voltmeter ............................................................... 38

Abb. 21 Schaltung der Dezimalpunktsteuerung ........................................................................................ 39

Abb. 22 Beispiele für die Dezimalpunktansteuerung: a) 199,9 ; b) 1,999 .................................................. 39

Abb. 23 Verstärker &Gleichrichtergehäuse .............................................................................................. 40

Abb. 24 Verstärker-Gleichrichter-Einheit .................................................................................................. 41

Abb. 25 a) Sondenadapter, b) Makrolon-Rohr als Träger ......................................................................... 41

Abb. 26 a) SUB-D-Pinbelegung, b) Sondenadapter mit Makrolon-Rohr .................................................... 42

Abb. 27 Gehäuse a) Rückansicht, außen: b) Frontansicht, außen ............................................................. 42

Abb. 28 LCD-Einheit: a) LCD-Gehäusebefestigung b) Geklemmt ............................................................... 43

Abb. 29 Zusammengesetztes Messgerät (Innenansicht) ........................................................................... 44

Abb. 30 SUB-D-Schnittstelle: a) Pin-Nummerierung der Schnittstelle, b) SUB- D-Kupplung ...................... 45

Abb. 31 Pin-Belegungsplan an der Messgerätschnittstelle ....................................................................... 45

Abb. 32 Ansicht des Messgerätes: a) M. Rückansicht b) Messgerät Frontansicht ..................................... 46

Abb. 33 Veranschaulich auf die komplette Schaltung ............................................................................... 47

Abb. 34 0,22 mm Kupferdraht .................................................................................................................. 48

Abb. 35 Ringantenne (prinzipieller Aufbau) ............................................................................................. 49

Abb. 36 Berechnung der Rahmenlänge bei U0 = 0,6 V .............................................................................. 50

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Abb. 37 Sondenkörper ............................................................................................................................. 51

9.5 Tabellen

Tabelle 1 : Die Vorteile und Nachteil von unterschiedliche RFID Frequenzen 5

Tabelle 2 : Die Leerlaufspannung der Spulen in Abhängigkeit von der Frequenz bei einer magnetischen

Feldstärke von 100 dB µA /m 13

Tabelle 3 : Aufnahme der vorgegeben Spule in Upp, Ueff und A/m 17

Tabelle 4 : Aufnahme der Spule mit 115 µH in Upp, Ueff und A/m 19

L2 ( 100 Wdg ) 19

Tabelle 5 : Aufnahme der Spule mit 605µH in Upp, Ueff und A/m 20

Tabelle 6 : Verstärkung 10-1000 KHz 28

Tabelle 7 : Linearität des Gleichrichters in Zahlen 35

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Inhalt

1 Einleitung .............................................................................................................. 2

2 Grundlagen ........................................................................................................... 2

2.1 Kurzdarstellung zur RFID ............................................................................... 2

2.2 RFID Lösungen - Aktive Transponder / Passive Transponder ........................ 3

2.2.1 Aktiv: ......................................................................................................... 3

2.2.2 Passiv: ...................................................................................................... 3

2.3 Frequenzbereiche ........................................................................................... 3

3 Aufgabenstellung .................................................................................................. 5

3.1 Beschreibung der Aufgabenstellung ............................................................... 5

3.2 Parameter ....................................................................................................... 6

3.3 Ermittlung der Messbereiche .......................................................................... 6

3.4 Definition des Prozesses ................................................................................ 6

3.4.1 Helmholzspule .......................................................................................... 7

3.4.2 Kalibrierung............................................................................................... 9

3.4.3 Schwingkreiskompensation .................................................................... 10

4 Einführung .......................................................................................................... 13

4.1 Überprüfung der Messsonden für die Voruntersuchung ............................... 13

4.2 Ermittlung des Wandelmaßes der Meßsonden ............................................. 15

4.3 Durchführung der Messung mit der kalibrierten Messsonde ......................... 15

4.3.1 Aufnahme des Feldlinienverlaufs ............................................................ 15

4.3.2 Optimierung verschiedener Spulen ......................................................... 18

5 Entwicklung des Feldstärkenmessgerätes .......................................................... 20

5.1 Meßverfahren ............................................................................................... 20

5.1.1 Vorgehen hier ......................................................................................... 21

5.2 Vorüberlegungen und Anforderungen ........................................................... 21

5.3 Schematischer Aufbau einer Messeinrichtung .............................................. 22

5.4 Messprinzip .................................................................................................. 24

5.5 Schaltungskonzept und Realisierung der einzelnen Funktionseinheiten ...... 26

5.5.1 Integrator ................................................................................................ 26

5.5.2 Messtechnische Überprüfung ................................................................. 27

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5.5.3 Gleichrichter-Einheit ............................................................................... 30

5.5.4 Versorgungs-Einheit mit DC/DC-Wandler ............................................... 36

5.5.5 LCD-Einheit ............................................................................................ 37

5.6 Fertigung des Messgerätes .......................................................................... 39

5.6.1 Gehäuse für die Verstärker und Gleichrichter-Einheit ............................. 39

5.6.2 Zusammensetzung der Verstärker-Gleichrichter-Einheit ........................ 40

5.6.3 Sondenadapter ....................................................................................... 41

5.6.4 Messgerätgehäuse ................................................................................. 42

5.6.5 Verteilung der Funktionsgruppen ............................................................ 44

5.6.6 Schnittstelle am Messgerät ..................................................................... 45

5.6.7 Endmontiertes Messgerät ....................................................................... 46

5.7 Funktionsprüfung des Messgerätes .............................................................. 46

6 Entwicklung der Feldsonden und Beschreibung des Messsystems ................... 48

6.1 Vorüberlegungen (Anforderungen an die Feldsonde) ................................... 48

6.2 Überblick über das Messverfahren und theoretischer Hintergrund ............... 48

6.3 Fertigung der Sonden ................................................................................... 50

6.3.1 Wickelkörper ........................................................................................... 51

7 Kalibriervorgang des Messgerätes ..................................................................... 51

8 Fazit .................................................................................................................... 52

9 Anhänge ............................................................................................................. 53

9.1 Datenblätter .................................................................................................. 53

9.2 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 53

9.3 Meßgeräteliste .............................................................................................. 53

9.4 Abbildungsverzeichnis .................................................................................. 53

9.5 Tabellen ........................................................................................................ 55

10 Erklärung ......................................................................................................... 58

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10 Erklärung

Hiermit versichere ich, die vorliegende Arbeit selbständig und ausschließlich unter

Verwendung der im Text und Literaturverzeichnis angegebenen Informationsquellen

angefertigt zu haben.

Berlin, im August 2009

Information

Im Text verwendete Handelsnamen und -bezeichnungen dienen nur zur Information

des Lesers.

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Diplomarbeit Entwicklung und Aufbau einer … Yilmaz.pdf · Radio Frequency Identification, im Englischen „Radio Frequency Identification“ also die drahtlose ( „Funk“ ) Übertragung