Virtueller Volumenstromsensor
Hochgenaue und günstige Messprinzipien gewinnen insbesondere im Kontext Predictive Maintainance, Condition Monitoring und optimierter Regelungstechnik immer mehr an Bedeutung. Diese dienen dazu, Fehler im System frühzeitig zu erkennen, um Gegen- oder Optimierungsmaßnahmen einleiten zu können. Die heutzutage verfügbaren Volumenstromsensoren bieten die Möglichkeit stationäre Volumenströme in einer Rohrleitung zu messen. Instationäre Prozesse, für die eine quasistationäre Betrachtung genügt, können mit den herkömmlichen Sensoren auch noch genau gemessen werden. Die Komplexität steigt jedoch, sobald instationäre Effekte voll aufgelöst werden sollen, denn die vorhandenen Verfahren messen Strömungsänderungen sehr inakkurat. Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsprojektes wurde eine neuartige Volumenstrommessmethode für die Ermittlung von transienten Rohrströmungen basierend auf zwei Drucksensoren entwickelt.
| Nutzen | Vorgehen |
|---|---|
| Kein invasives Einbauen eines Volumenstromsensors | Entwicklung einer Messmethodik basierend auf minimal-invasiv eingebauten Drucksensoren |
| Akkurate Messgenauigkeiten, welche über den quasistationären, laminaren Fall hinausgehen | Entwicklung von transiente, kompressiblen und turbulenten Systemgleichungen zur Bestimmung des Volumenstroms aufgrund von Druckdaten. |
| Volumenstrombestimmung aufgrund von Druckdaten | Entwicklung und Erprobung des Softsensors in verteiltparametrischen 1D/3D Simulationen und am Prüfstand |
| Kein Volumenstromsensor mehr nötig | Effektive Nutzung der gemessenen Druckdaten und Möglichkeit die hydraulische Leistung akkurat zu bestimmen |
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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
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 wurden die theoretischen Grundlagen zur Berechnung transient, laminarer, kompressibler sowie transienter, turbulenter Strömungen zur Volumenstrommessung auf Basis der Druckmessungen ausgearbeitet. Dies beinhaltet das Herleiten eines Gleichungssatz für das Übertragungsverhalten im Zeitbereich.
Validierung anhand eines Simulationsmodells und eines Prüfstands
Das gewonnene mathematische Modell wurde anschließend validiert. Dafür wurden 1D und 3D verteilparametrische Simulationsmodelle und ein Prüfstand erstellt. Damit konnten die transienten, kompressiblen und turbulenten Gleichungen untersucht und validiert werden. Die Ergebnisse in der Realität zeigen, dass das Forschungsprojekt erfolgreich abgeschlossen wurde und der Softsensor sehr gut für die transiente Volumenstrommessung geeignet ist.
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