Dielectric Lock

Abbildung 1: Prototyp des Eddy Current Lock

Autoren:	Tomaszewski, Börger
Betreuer:	Prof. Göbel

Einleitung

Eddy Current Lock (Induktiver Wirbelstrom-Decoder)

Ein kritischer Prototyp im Labor der Hochschule Hamm-Lippstadt ist durch eine Sicherheitssperre verriegelt. Der Zugriff auf die Steuerungsdaten wird verweigert, solange das physische Sicherheitssystem nicht mit der korrekten Abfolge metallischer Proben freigeschaltet wird. Das System erwartet die Identifikation von drei unbekannten Metallproben. Nur wer das Wirbelstromverhalten und die Permeabilitätsänderungen im Messschacht präzise analysiert, die Frequenzverschiebung des LC-Schwingkreises korrekt berechnet und die Proben in der exakten Reihenfolge in das Messgehäuse einlegt, erhält den 4-stelligen Freischaltcode auf dem Display. Die Zeit läuft. Nutzt euer Wissen aus der elektrischen Messtechnik und Sensorik, um den Code zu dekodieren!

Hintergrund

Hinter dem Rätsel steckt ein messtechnisches Problem aus den Lehrveranstaltungen Sensorik sowie Elektrische Messtechnik & Signalverarbeitung. Die Spieler nutzen die physikalischen Grundlagen eines LC-Schwingkreises und der elektromagnetischen Induktion, um anhand von Frequenz- und Dämpfungsmessungen unbekannte Metallproben (z. B. Aluminium, Messing, Kupfer oder Edelstahl) zu bestimmen.

Die Erfassung erfolgt über eine Flachspule im Messschacht eines kompakten Kunststoffegehäuses. Das analoge Signal wird von einem Arduino verarbeitet, während die hochgenaue Signalauswertung, Filterung und Schwellwertüberwachung direkt in ein Simulink-Modell eingebunden ist. Das System prüft die Frequenzabweichungen unter Berücksichtigung definierter Toleranzgrenzen und gibt bei korrekter Reihenfolge den 4-stelligen Freischaltcode sowie den Rätselstatus auf einem integrierten LCD-Display aus.

Technische Umsetzung

Das Rätsel wird mit einem Arduino Uno / Nano in Kombination mit MATLAB/Simulink realisiert. Das gesamte System ist in einem kompakten Kunststoffgehäuse verbaut, das passgenau in ein Fach des Escape-Mobils (28 cm x 30 cm x 26 cm) integriert wird. Auf der Frontseite befindet sich ein Messschacht mit einer dahinter fest montierten Flachspule. Über einen LC-Schwingkreis im kHz-Bereich wird das Frequenzverhalten beim Einlegen der Proben erfasst. Ein integriertes LCD-Display (16x2 / 20x4) übernimmt die Anzeige der Messwerte, des Systemstatus sowie die finale Codeausgabe, unterstützt durch zwei Status-LEDs (Fehler/Erfolg).

Lernziel:

Nach dem Lösen des Rätsels können die Spieler …

#	Lernziel	Rätselschritt	Bezug zur Lehrveranstaltung
1	… die physikalischen Einflussgrößen auf die Induktivität und Resonanzfrequenz eines LC-Schwingkreises benennen und berechnen.	Schwingkreis-Analyse	Sensorik / Elektrische Messtechnik
2	… das Prinzip der Wirbelstromdämpfung und Permeabilitätsänderung zur zerstörungsfreien Materialbestimmung erklären und anwenden.	Wirbelstrommessung	Elektrische Messtechnik & Signalverarbeitung
3	… Metallproben anhand ihrer elektrischen Leitfähigkeit (σ) und relativen Permittivität/Permeabilität (μ_r) identifizieren und Toleranzbereichen zuordnen.	Materialbestimmung	Sensorik
4	… analoge Messsignale und Schwingfrequenzen in ein Simulink-Modell einlesen, verarbeiten und Logikentscheidungen über Stateflow/MATLAB-Funktionen umsetzen.	Signalauswertung	Signalverarbeitung / Simulink

Übergeordnet trainiert das Rätsel die Verknüpfung von theoretischen Formeln der Elektrotechnik und Physik mit praktischen Messverfahren unter Zeitdruck.

Schwierigkeitsgrad: Einsteiger bis Fortgeschrittene

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungsliste

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das System muss die Schwingfrequenz f und die Dämpfung eines LC-Schwingkreises beim Einlegen von Metallproben in den Messschacht zuverlässig erfassen.	1	[Tomaszewski, Börger]	12.10.2026	[Prüfer Name]	12.10.2026
2	Das Simulink-Modell muss anhand der erfassten Frequenzabweichung (Δf) die Metallart (z. B. Aluminium, Messing, Edelstahl, Kupfer) ermitteln und mit den im Modell hinterlegten Frequenz-Toleranzbereichen vergleichen.	1	[Tomaszewski, Börger]	12.10.2026	[Prüfer Name]	12.10.2026
3	Das System muss den aktuellen Rätselstatus, die Messwerte sowie den 4-stelligen Freischaltcode nach Erkennen der korrekten Materialfolge auf einem integrierten LCD-Display (16x2 / 20x4) ausgeben.	1	[Tomaszewski, Börger]	12.10.2026	[Prüfer Name]	12.10.2026
4	Das Gehäuse des Gesamtsystems muss vollständig in ein Fach des Escape-Mobils passen (maximal 28 cm x 30 cm, Tiefe 26 cm).	1	[Tomaszewski, Börger]	12.10.2026	[Prüfer Name]	12.10.2026
5	Das Rätsel muss für die Spieler in einer Spieldauer von mindestens 2 und höchstens 5 Minuten lösbar sein.	1	[Tomaszewski, Börger]	12.10.2026	[Prüfer Name]	12.10.2026
6	Die Stromversorgung aller elektronischen Komponenten (Arduino, Display, Sensorik, Schwingkreis) muss ausschließlich über den USB-Anschluss (5V) erfolgen.	1	[Tomaszewski, Börger]	12.10.2026	[Prüfer Name]	12.10.2026
7	Bei Einlegen einer falschen Metallprobe oder einer falschen Reihenfolge muss das System eine visuelle Fehlermeldung auf dem Display sowie über eine rote Status-LED anzeigen und den Eingabe-Fortschritt zurücksetzen.	1	[Tomaszewski, Börger]	12.10.2026	[Prüfer Name]	12.10.2026
8	Wenn sich keine Metallprobe im Messschacht befindet (Messung von Luft, ungestörte Grundfrequenz f_0), muss das System im Bereitschaftszustand verbleiben und auf dem Display den Status "Bereit" anzeigen.	1	[Tomaszewski, Börger]	12.10.2026	[Prüfer Name]	12.10.2026
9	Alle elektrischen Verbindungen müssen fest auf einer Platine verlötet sein; Steckverbindungen sind außer bei den Mikrocontroller-Headerpins nicht zulässig.	1	[Tomaszewski, Börger]	12.10.2026	[Prüfer Name]	12.10.2026
10	Für die Spielleitung müssen zwei gestufte Hinweise (Tipps) und eine Musterlösung (Reihenfolge der Proben & zugehörige Frequenzabweichungen) bereitgestellt werden.	2	[Tomaszewski, Börger]	12.10.2026	[Prüfer Name]	12.10.2026
11	Das System soll beim Systemstart eine automatische Nullpunkt-Kalibrierung der ungestörten Grundfrequenz (f_0) durchführen, um Umgebungseinflüsse zu kompensieren.	2	[Tomaszewski, Börger]	12.10.2026	[Prüfer Name]	12.10.2026

Beachten Sie den Artikel: Formulierungsregeln für Anforderungen Beantworten Sie die Frage: Was soll das System leisten?

Funktionaler Systementwurf

1. Hauptfunktionen des Systems

Das Gesamtsystem lässt sich funktional in folgende Teilfunktionen aufteilen:

- Messbereitschaft initialisieren und Nullpunkt-Kalibrierung der Grundfrequenz (f_0) durchführen

- Frequenz- und Dämpfungssignal des LC-Schwingkreises beim Einlegen einer Metallprobe erfassen

- Frequenzabweichung (Δf) und Signalpegel in Simulink berechnen

- Gemessene Frequenz mit den im Modell hinterlegten Metall-Toleranzbereichen vergleichen

- Korrekten Messschritt visuell bestätigen (Grüne LED / Textanzeige)

- Rätselstatus, Messwerte und Schloss-Code schrittweise auf dem LCD-Display ausgeben

- Kompletten 4-stelligen Freischaltcode bei erfolgreicher Reihenfolge auf dem Display anzeigen, damit das mechanische Zahlenschloss manuell von Hand geöffnet werden kann

2. Funktionaler Ablauf

2.1 Initialisierung und Messbereitschaft

Das System startet nach dem Anlegen der Betriebsspannung (5 V via USB). Die Software führt eine automatische Nullpunkt-Kalibrierung der ungestörten Resonanzfrequenz (f_0) durch und setzt das LCD-Display auf den Bereitschaftszustand (z. B. `Status: Bereit / f_0 = 48.5 kHz`). Simulink wartet auf eine Frequenzänderung im Messschacht.

2.2 Einlegen der Metallprobe und Frequenzmessung

Die Spieler wählen eine der drei unbeschrifteten Metallproben (z. B. Aluminium, Messing, Edelstahl, Kupfer) aus und legen diese in den Messschacht des Kunststoffgehäuses. Die im Schacht integrierte Flachspule interagiert mit der Metallprobe: - Das Wechselstromfeld der Spule induziert Wirbelströme bzw. verändert die magnetische Permeabilität im Messfeld. - Der Arduino erfasst kontinuierlich die geänderte Schwingfrequenz f und die Amplitudendämpfung des LC-Schwingkreises. - Das System berechnet die relative Frequenzabweichung Δf = f_gemessen - f_0.

2.3 Materialanalyse in Simulink

Das Simulink-Modell übernimmt das aufbereitete Frequenzsignal und vergleicht die gemessene Frequenzabweichung Δf mit den im Modell hinterlegten Toleranzfeldern der spezifischen Metalle (z. B. Aluminium = starke Frequenzerhöhung durch Wirbelstromeffekte; Edelstahl = Frequenzerniedrigung durch hohe Permeabilität μ_r).

2.4 Schrittweise Code-Freigabe

Das System prüft über einen Stateflow-Zustandsautomaten, ob die gemessene Metallprobe der aktuell geforderten Rätselstufe entspricht:

- Schritt 1: Wird Metall 1 (z. B. Aluminium) korrekt erkannt, zeigt das Display die Erkennung an und schaltet die erste Ziffer des Codes frei (z. B. `Code: 8---`). Die grüne Status-LED leuchtet kurz auf.

- Schritt 2: Wird Metall 2 (z. B. Edelstahl) als zweites erkannt, erscheint die zweite Ziffer (z. B. `Code: 83--`).

- Schritt 3: Wird Metall 3 (z. B. Messing) als drittes erkannt, schaltet das System die verbleibenden Ziffern frei.

2.5 Erfolgreicher Abschluss & Manuelles Öffnen

Werden alle drei Metallproben in der exakten Reihenfolge gemessen, zeigt das LCD-Display den vollständigen 4-stelligen Schloss-Code an (z. B. `Code: 8315`) und der Status wechselt auf `GELÖST`. Die Spieler lesen diesen Code ab und stellen die Zahlenkombination am mechanischen Vorhängeschloss manuell von Hand ein, um das nächste Fach des Escape-Mobils zu öffnen.

3. Fehlerbehandlung

Das System erkennt fehlerhafte Proben oder eine falsche Reihenfolge zuverlässig:

- Falsches Metall / Falsche Reihenfolge: Wird ein Metall gemessen, das nicht der aktuellen Rätselstufe entspricht, zeigt das Display `Status: FEHLER` an, die rote Status-LED leuchtet auf und der Eingabe-Fortschritt wird zurückgesetzt.

- Keine Probe eingelegt (Messschacht leer): Schwingt der Kreis auf seiner Grundfrequenz f_0, verbleibt das System im Wartezustand (`Status: Bereit`).

4. Informations- und Ausgabefunktion

Das System stellt den Fortschritt und die Messwerte klar und übersichtlich auf dem LCD-Display dar: - Anzeige der aktuellen Schwingfrequenz/Dämpfung zur messtechnischen Nachvollziehbarkeit. - Visuelle Rückmeldung über zwei Status-LEDs (Grün = Erfolg, Rot = Fehler). - Ausgabe des schrittweisen und finalen 4-stelligen Freischaltcodes auf der unteren Displayzeile zum manuellen Ablesen.

Technischer Systementwurf

Systemarchitektur Eddy Current Lock

Systemübersicht

Zentrale Steuereinheit ist ein Arduino Uno / Nano, der in Kombination mit MATLAB/Simulink betrieben wird. Der Mikrocontroller erfasst das Signal des LC-Schwingkreises, überträgt die Frequenzdaten an das Simulink-Modell, wertet den Stateflow-Zustand aus und steuert das LCD-Display sowie die Status-LEDs an. Das gesamte System ist in einem kompakten Kunststoffgehäuse verbaut, das passgenau in das Fach des Escape-Mobils (28 cm x 30 cm x 26 cm) eingesetzt wird.

Das System gliedert sich in drei Ebenen: - Eingabe: Kunststoffgehäuse mit Messschacht und integrierter Flachspule (LC-Schwingkreis) für den Metalleinschub

- Verarbeitung: Arduino & Simulink-Modell (Frequenzerfassung, Signalfilterung, Δf-Berechnung, Toleranzvergleich und Zustandslogik in Stateflow)

- Ausgabe: LCD-Display (16x2 / 20x4) zur Anzeige der Messwerte, des Systemstatus sowie des Zahlencodes für das manuelle Öffnen des mechanischen Schlosses

Teilsysteme

Tabelle 1: Teilsysteme und technische Umsetzung

Teilsystem	Aufgabe	Technische Umsetzung
Messtechnik	Erfassung der Frequenz- & Dämpfungsänderung	Flachspule, Schwingkreis-Kondensator, Operationsverstärker/Schmitt-Trigger, Arduino Digital-/Analog-Pin
Signalverarbeitung	Frequenzanalyse, Δf-Berechnung & Toleranzprüfung	Simulink-Modell mit Filterblöcken und Stateflow / MATLAB Function Block
Anzeige & Feedback	Ausgabe von Messwerten, Status & Schloss-Code	LCD-Display (16x2 / 20x4 I2C), rote und grüne Status-LEDs
Gehäuse & Mechanik	Aufnahme der Elektronik & Führung der Proben	Kunststoffgehäuse mit Messschacht (passend für 28 cm x 30 cm x 26 cm Fach)
Schloss (Manuell)	Mechanische Zugangssperre für das nächste Fach	Physisches 4-stelliges Zahlen-Vorhängeschloss, das von den Spielern per Hand geöffnet wird
Stromversorgung	Spannungsversorgung aller elektronischen Komponenten	USB-Anschluss (5V via PC/Powerbank)

Spielablauf in der Software

Die Software/Simulink-Logik ist als Zustandsautomat umgesetzt:

1. Bereit: System führt Nullpunkt-Kalibrierung aus (Grundfrequenz f_0), Display zeigt `Status: Bereit` und `Code: ----`.
2. Messung Probe 1: Metallprobe 1 wird eingelegt. Frequenz ändert sich auf f_1. Simulink berechnet Δf_1. Passt der Wert zu Probe 1 (z. B. Aluminium), leuchtet die grüne LED und das Display zeigt `Code: 8---`.
3. Messung Probe 2: Metallprobe 2 wird eingelegt. Passt Δf_2 (z. B. Edelstahl), zeigt das Display `Code: 83--`.
4. Messung Probe 3: Metallprobe 3 wird eingelegt. Passt Δf_3 (z. B. Messing), schaltet das Display den kompletten Code frei (`Code: 8315`) und zeigt `Status: GELÖST`.
5. Fertig: Der Code bleibt dauerhaft sichtbar, bis die Spieler die Zahlen manuell am Schloss eingeben und das System zurückgesetzt wird.

Komponentenspezifikation

Tabelle 2: Stückliste

ID	Anzahl	Kosten pro Stück €	Summe	Bezeichnung / Link	Funktion	Abbildung
1	1x	23,70 €	23,70 €	Arduino UNO R3	Mikrocontroller / Messwerterfassung & Ansteuerung
2	1x	6,50 €	6,50 €	LCD-Display 16x2 / 20x4 I2C	Anzeige von Messwerten, Systemstatus & Schloss-Code
3	1x	2,50 €	2,50 €	Flachspule / Induktivität	Messspule im Schacht zur Erzeugung des Wechselfelds
4	1x	0,50 €	0,50 €	Schwingkreis-Kondensator (10 nF)	Kapazität zur Bildung des LC-Resonanzkreises
5	1x	1,20 €	1,20 €	Operationsverstärker / Schmitt-Trigger IC	Signalaufbereitung der Schwingfrequenz für den Arduino
6	1x	0,40 €	0,40 €	Status-LEDs (1x Rot, 1x Grün)	Visuelles Feedback bei Richtig-/Falscheingabe
7	3x	2,00 €	6,00 €	Metallproben (Aluminium, Messing, Edelstahl, Kupfer)	Unbekannte Prüfkörper für das Wirbelstrom-Rätsel
8	1x	2,50 €	2,50 €	Lochrasterplatine & Lötmaterial	Trägerplatine für gelötete Bauteile (keine Steckboards)

Umsetzung (HW/SW)

Anhand der folgenden Dokumente und Beschreibungen kann das Projekt nachgebaut werden:

• Schaltplan RC-Messkreis und Display
• Simulink-Modell zur Signalverarbeitung und Auswertung
• 3D-CAD-Daten des Gehäuses und Messfensters

Ergebnis

Literatur

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