Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erweiterung eines integrierten Sensorsystems, das mittels thermischer Messprinzipien bei variablen Zusammensetzungen die Gasbeschaffenheit sowie die Dichte von Brenngasen bestimmt.

Im Vorhaben wird ein preisgünstiges Gerät zur Bestimmung von Gasqualität und Verbrauch entwickelt, das keine wiederkehrende Kalibrierung benötigt und mit korrelativen Messverfahren arbeitet. Das System wird durch Hinzufügen von Sensoren für CO2, N2 und H2 sowie eines Dichtemessverfahrens weiterentwickelt, um zuverlässig die Kenndaten Brennwert, Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Wobbe-Index und Mindestluftbedarf in modularer Bauweise zu bestimmen sowie Signale zur Regelung von gastechnischen Anlagen auszugegeben.

Hahn-Schickard-Institut für Mikro- und Informationstechnik (HS-VS) wird das korrelative System um einen CO2-Sensor und ein Dichtemessverfahren erweitern und eigene sowie die vom Zentrum für Brennstoffzellentechnik (ZBT) und Gas- und Wärme-Institut Essen e. V. (GWI) entwickelten Algorithmen in die Elektronik implementieren. GWI testet das System u. validiert dieses für Mess- und Steueraufgaben in der Gaswirtschaft. ZBT untersucht die Dimensionsauslegung des Sensors für die H2 Messung analytisch u. entwickelt ein schnelles kombiniertes Analyseverfahren zur Bestimmung der Gaszusammensetzung.

Das modulare System bietet die Möglichkeit, sowohl auf Seiten der Netzüberwachung als auch auf der Seite der Prozessregelung des jeweiligen Endverbrauchers eingesetzt zu werden.

Insbesondere wird es für Betreiber, Anlagen- u. Komponentenhersteller, Installateure und Gutachter eine Lösung zur Überwachung von Gasgüte-Schwankungen in Echt-Zeit bieten und einen Service über ein Funkmodul bereitstellen. In diesen vielschichtigen Metiers spielen KMU eine wichtige Rolle, die ihre ganz speziellen Marktzugänge haben. Das miniaturisierte Gasmessgerät soll in Abhängigkeit der zugeschnittenen Messaufgabe mit den geforderten Genauigkeiten und der daraus abgeleiteten System-Komplexität zu differenzierten Preisen angeboten werden. Eine preiswerte Lösung hätte zudem das Potential im neuen Markt Smart Home einzusteigen u. kann somit zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU beitragen.

Ergebniszusammenfassung:

• Hahn-Schickard hat den thermischen SmartGas-Sensor entwickelt mit dem Ziel, Gase in einem weiten Messbereich zwischen den extremen Gasen Wasserstoff bis Kohlendioxid erkennen zu können. Der SmartGas-Sensor beinhaltet unter anderem einen CO2-Sensor, eine PSoC5-Elektronik und ein Touch-Display.

• Es stellte sich jedoch heraus, dass die im PSoC5 enthaltenen Schaltungsblöcke weder in Geschwindigkeit noch AD-Auflösung ausreichend sind, so dass in Zukunft doch auf einen externen AD-Wandler-Baustein gesetzt werden sollte.

• Das ZBT hat für den neu entwickelten Sensor einen Zusammenhang zwischen Phase, Amplitude und Wärmeleitfähigkeit sowie der Wärmekapazität gefunden.

• Die vom GWI für den „Brenngas-Sensor“-Prototypen entwickelten Korrelationsfunktionen für Brennwert, Dichte und Wärmeleitfähigkeit zeigen Abweichungen von maximal ± 2 % zwischen Messwert und berechnetem Wert.

• Weiterhin hat das GWI für die Bestimmung von Brennwert, Dichte und Wärmeleitfähigkeit von CH4+H2-Mischungen eine Möglichkeit zur korrelativen Berechnung dieser Kennwerte von Methan/Wasserstoffmischungen entwickelt und die Anwendbarkeit der Funktionen verifiziert.

• Für den neu entwickelten SmartGas-Sensor konnte am GWI mithilfe der gewonnenen Daten aus zahlreichen Messreihen erste Funktionen für den Brennwert, die Temperaturleitfähigkeit, die Wärmeleitfähigkeit sowie für die Dichte hergeleitet werden.

• Der Sensor-Prototyp müsste mit den nun gewonnenen Erkenntnissen weiter entwickelt werden, um ihn als Brennwert-, Dichte- und Wärmeleitfähigkeits-Messgerät (und dann auch als Regelgerät z.B. für Thermoprozessanlagen) einsetzen zu können. Die Funktion mit ausreichender Genauigkeit wurde im Projekt bewiesen.