Energieautarke Sensoren zur Erfassung von Temperatur-Zeit-Integralen

Schneider, Mike

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Sensorkonzeptes zur Überwachung von Temperatur-Zeit-Integralen, wie sie beispielsweise bei gekühlter Lagerung von Lebensmitteln oder der Sterilisation von Pharmaprodukten eine Rolle spielen. Im Fokus standen dabei die Anforderungen, welche sich aus der technologischen Umsetzung, Logistik, Produktsicherheit oder den Bedürfnissen des Verbrauchers ergeben. Um dem gerecht zu werden, wurde während des gesamten Entwicklungsprozesses eine Integration direkt in den Herstellungsprozess des Packstoffes, sowie die Anbindung an einen RFID-Transponder vorgesehen und berücksichtigt. Auf diese Weise sollen Konzepte dieser Art kostengünstig und sicher auf Item-Level, d.h. In einzelnen Produkten zur Anwendung kommen. Hierfür wurden verschiedene temperaturgesteuerte physikalische Konzepte wie die Diffusion von Flüssigkeiten in Polymere, Quervernetzung von Polymeren und Kapillareffekte untersucht und deren Umsetzbarkeit bewertet. Der Kapillareffekt erwies sich dabei als die Variante mit dem größten Potential hinsichtlich Einstellbarkeit auf verschiedene Szenarien. Der Kriechvorgang in einer Flüssigkeit mit temperaturabhängiger Viskosität wurde mittels vereinfachter Navier-Stokes-Gleichung für rechteckige Querschnitte wie sie mit planaren Herstellungstechniken hergestellt werden können, analytisch modelliert. Die Herausforderung lag hierbei im Gegensatz zum stationären Zustand auf der Beibehaltung der zeitlichen Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit. Aus dem Modell konnten so die für den Kriechprozess entscheidenden geometrischen und stofflichen Parameter bestimmt werden, welche die Kriechgeschwindigkeit beeinflussen. Damit ist es möglich Designrichtlinien hinsichtlich Materialauswahl und Geometrie für die jeweiligen Anwendungen abzuleiten. Abschließend wurde ein Demonstrator aufgebaut, der die Auswertung des Kriechvorgangs eines leitenden Wachses an definierten Stellen durch resistive Messung ermöglicht und gleichzeitig modular mit einem RFID-Transponder verbunden werden kann. Für den Aufbau wurde dabei ein Polymer als Träger für die Kanalstrukturen gewählt um so die Übertragbarkeit in den Herstellungsprozess von Verpackungsmaterialien zu demonstrieren.

The following work is aiming the development of a sensor concept for monitoring time temperature integrals which play a major role in cold chain management of food or sterilization of pharmacy products. Therefore, priority was set on the restrictions coming from technological transfer, logistics, product safety and the needs of potential customers. In order to fulfil those conditions, the whole development process was targeting a future implementation into the manufacturing process of the package material itself, as well as a combination with a RFID transponder. In this manner the concepts should be implemented an affordable and safe way within the products on item level, which means inside the single packages. Different physical concepts like diffusion of fluids in polymeric materials, cross link of epoxy resins and capillary effects were investigated for their feasibility. Though capillary effects showed the highest potential regarding adaptivity for different scenarios. The movement of a fluid with temperature depending viscosity was analytically modelled with a simplified Navier-Stokes-Equation for rectangular cross sections, as they are commonly used in planar production methods. Different to common steady state models the challenge here was to keep the time dependent velocity of the fluid. This way it was possible to identify the main geometrical and material parameters for the flow, which are significantly influencing the corresponding velocity. As a result of this modelling procedure it is possible to find design rules. At the end a demonstrator was realized allowing the evaluation of a flow of a conductive wax at predefined points inside the channel due to resistive measurement and the capability of a modular combination with a RFID transponder. Therefore, polymeric materials were used in order to proof the portability to the production process of packaging material.

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Schneider, Mike: Energieautarke Sensoren zur Erfassung von Temperatur-Zeit-Integralen. gw 2017.

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