Virtueller Volumenstrom Sensor

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Im Kontext von Industrie 4.0 und Condition Monitoring gewinnen präzise und günstige Messprinzipien und Sensoren immer mehr an Bedeutung. Volumenstromsensoren werden kaum eingebaut, da diese nur für den stationären und laminaren Fall akkurate Messwerte liefern. Desweitern werden Volumenstromsensoren invasiv eingebaut, weshalb der Sensor an sich für eine Druckänderung und einen komplexeren Systemaufbau sorgt. Dies bedeutet wiederum, dass die wichtigste Größe des fluidtechnischen Systems, die Leistung, nicht überwacht werden kann. Ziel dieses Forschungsprojekts ist deshalb die Umsetzung eines nichtinvasiven Messprinzips, welches die gleichzeitige Aufzeichnung von Volumenstrom und Druck und somit des Leistungsflusses innerhalb eines fluidtechnischen Systems ermöglicht.

 
Nutzen Vorgehen
Kein invasives Einbauen eines Volumenstromsensors Herleitung der transienten Gleichungen für den laminaren und turbulenten Fall
Akkurate Messgenauigkeiten, welche über den stationären, laminaren Fall hinausgehen Validierung durch Simulationen
Effektive Nutzung der aufgenommenen Daten Entwicklung eines Prüfstands und Validierung in der Praxis
Kein Volumenstromsensor mehr nötig


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Herausforderungen der Volumenstrommessung in der Fluidtechnik

Die heutigen Volumenstromsensoren sind nicht in der Lage hoch instationäre Strömungen zu erfassen. Dies liegt entweder daran, dass die Reaktion der Sensoren zu träge oder das Messverfahren nur für stationäre Strömungen gültig ist. Das hinter den Volumenstromsensoren liegende Messprinzip basiert auf dem Hagen-Poiseuille’sche Gesetz, welche für stationäre und laminare Strömungen den Volumenstrom in einer Leitung mit Hilfe von Druckmessungen errechnen kann. Jedoch liegen in den seltensten Fällen stationäre und laminare Strömungen in technischen Anlagen vor. Deshalb kann ausgehend von Druckmessungen nicht auf den Volumenstrom zurückgerechnet werden und aktuelle darauf basierende Konzepte können im allgemeinen Fall nicht funktionieren.

 

Benefits eines Volumenstromsoftsensors

Die Erweiterung des Messbereichs für turbulente und instationäre Strömungen unterstützt insbesondere die Domäne des Condition Monitoring von fluidtechnischen Systemen. Besonders in kleinen bis mittelgroßen hydraulischen Systemen, wie sie in kleinen stationären Anlagen oder in der Mobilhydraulik zu finden sind, werden aus Kostengründen häufig nur Druck- und Temperatursensoren eingesetzt. Durch ein virtuelles Abbild eines Volumenstromsensors, können auch solche Systeme Volumenströme und Leistungen messen. Durch die ganzeinheitliche Systemüberwachung kann ein Systemausfall vorhergesagt werden. Solch ein Ausfall führt zu erheblichen Kosten in der Stationärhydraulik, da die Maschine ersetzt werden müssen und die Stillstandszeiten enorme Produktionsverzögerungen bedeuten. Des Weiteren kann durch die Messung von Volumen- und Leistungsstrom erhöhte innere Leckage, welche durch Verschleiß entsteht, detektiert werden. Eine innere Leckage resultiert in einer erhöhten dissipierten Leistung, welche wiederum zu erhöhten Betriebskosten führt.

 

Volumenstrommessung via Softsensor

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Das VirtVolSensor Forschungsprojekts fokussiert sich auf die Schließung der Forschungslücke, also die Verallgemeinerung der Hagen-Poiseuille’schen Gleichung für den instationären Fall. Dies wird erreicht indem eine Auslegungsmethodik für die Verwendung eines virtuellen Volumenstromsensors auf Basis von Druckmessungen erstellt wird.

Herleitung eines analytischen Modells für den instationären Fall

Zunächst müssen die theoretischen Grundlagen zur Berechnung transient laminarer sowie turbulenter Strömungen zur Volumenstrommessung auf Basis der Druckmessungen ausgearbeitet werden. Dies beinhaltet das Herleiten eines Gleichungssatz für das Übertragungsverhalten im Zeitbereich.

Validierung anhand eines Simulationsmodells und eines Prüfstands

Das gewonnene mathematische Modell wird anschließend validiert. Dafür werden ein Simulationsmodell und ein Prüfstand erstellt. Für die Validierung des allgemeinen Falls wird das Simulationsmodell genutzt und für ausgewählte Fälle wird eine Prüfstandsvalidierung durchgeführt.

 
 

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21475 N / 1 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. – FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert

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