Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erarbeitung einer Auslegungsmethode für die Verwendung eines Volumenstromsensors auf Basis von Druckmessungen

Innovative, hochgenaue und günstige Messprinzipien und Sensoren gewinnen insbesondere im Kontext Industrie 4.0 und Condition Monitoring (CM) immer mehr an Bedeutung. Diese dienen dazu, Fehler im System frühzeitig zu erkennen, um Gegen- oder Optimierungsmaßnahmen einleiten zu können. Hydraulikanlagen benötigen aufgrund der hohen Investitionskosten eine Überwachung aller Parameter. Vor allem 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. Daher sind Volumenstromsensoren hier selten zu finden, unter anderem, weil diese Druckverluste verursachen und den Systemaufbau komplexer machen. Die wichtigste Größe des fluidtechnischen Systems, die Leistung, kann somit nicht überwacht werden. Damit ist die ganzheitliche Systemüberwachung nicht möglich.

Das vorgestellte Konzept ermöglicht nach der Umsetzung die gleichzeitige Messung des Volumenstroms, Drucks und damit des Leistungsflusses innerhalb eines fluidtechnischen Systems basierend auf einem nichtinvasiven Prinzip. Ziel des Projektes ist die Erarbeitung einer Auslegungsmethodik für die Verwendung eines virtuellen Volumenstromsensors auf Basis von Druckmessungen. Dazu müssen zunächst die theoretischen Grundlagen zur Berechnung transient laminarer sowie turbulenter Strömungen zur Volumenstrommessung auf Basis der Druckmessungen gelegt werden. Damit einhergehend muss eine simulative Validierung für den allgemeinen Fall sowie eine Prüfstandsvalidierung für ausgewählte Fälle durchgeführt werden. Mit dem virtuellen Volumenstromsensor ergibt sich für KMUs aus dem Bereich der Anbieter und Anwender fluidtechnischer Systeme ein genaueres Systemverständnis und präziseres CM. KMUs aus dem Bereich der Sensorher-steller können ein neues Produkt anbieten, welches Anwender innerhalb der Prozesstechnik direkt nutzen können, um eine präzisere Prozessführung zu gewährleistet.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Forschungsvorhaben wurde eine Messmethodik entwickelt, mit welcher die präzise Bestimmung von transienten Volumenströmen in geraden, glatten Hydraulikrohren möglich ist. Dabei basiert das Messprinzip auf der Erfassung von Druck an zwei Stellen im Rohr. Die Nutzung von Drucksensoren stellt eine kostengünstige Alternative zu klassischen Volumenstromsensoren dar. Dies liegt unter anderem daran, dass hydraulische Systeme in den allermeisten Fällen mit Drucksensoren ausgestattet sind, um eine grundlegende Überwachung vom System zu ermöglichen. Deshalb benötigt die entwickelte Messmethode in den meisten Fällen keine neue Sensorik, da diese üblicherweise vorhanden ist. Weiterhin ermöglicht die Nutzung von Drucksensoren für die Bestimmung des Volumenstroms die Berechnung der hydraulischen Leistung. Diese Kennzahl ermöglicht optimierte Anwendungen im Bereich des Condition Monitorings und dem Predictive Maintenance, womit ein effizienterer und robusterer Betrieb gewährleistet werden kann. Durch die erfolgreiche Validierung der Volumenstromberechnung mit verteilparametrischen Simulationsmodellen kann die Methodik im simulativen Auslegungsprozess genutzt werden, um recheneffizient und präzise Volumenströme in verschiedenen Bereichen von hydraulischen Anlagen zu untersuchen.