Industrieller Durchflusssensor für Schüttgutförderung

Während der letzten vier Jahre beschäftigte sich eine Forschungsgruppe am Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung mit der Entwicklung von Durchflusssensoren für pneumatische Förderanwendungen in Gas- Festkörper Strömungen. Im Wesentlichen ist es die Aufgabe eines Durchflusssensors, die vorherrschende Materialgeschwindigkeit und die Materialkonzentration, und in weiterer Folge daraus den Massenfluss zu bestimmen. Der kapazitive Kreuzkorrelationssensor erwies sich dabei unter allen realisierten Sensorprinzipien als das bei weitem zuverlässigstes und kostengünstigstes Prinzip. Im Rahmen des beantragten Translational Research Programs soll eine Überführung der Ergebnisse intensiver und erfolgreicher Grundlagenforschung zu einem industriell einsetzbaren Durchflusssensor für pneumatisch beförderte Schüttgüter, wie sie in zahllosen industriellen, agrarwirtschaftlichen oder pharmazeutischen Anwendung vorkommen, erfolgen. Aufbauend auf den Erkenntnissen, die durch die praktische Erprobung eines Sensor Prototypen dieser Technologie unter industriellen Förderbedingungen gewonnen wurden, sind für diese Umsetzung eine Reihe von Verbesserungen nötig: Der für zwei Jahre festgelegte Zeitplan des Projektes sieht dabei den Aufbau und die Erprobung von zwei unterschiedlichen Anregungsverfahren des Sensor Front-Ends, sowie eine fundamentale Erhöhung der Messrate durch schaltungstechnische Optimierungen vor. Ebenso ist es erforderlich, geeignete Kalibrationsstrategien für den Massenfluss und ein verbessertes Rekonstruktionsverfahren für Materialgeschwindigkeit und Materialkonzentration zu erarbeiten. Für einen kostengünstigen, industriell anwendbaren Sensor ist es ferner notwendig, die bisher auf einem PC durchgeführte Berechnung der Korrelationsfunktionen auf einem digitalen Signalprozessor zu implementieren. Der Sensor bei entscheidenden Entwicklungsschritten beim nationalen Forschungspartner getestet, eine finale Testung und Evaluierung des Durchflusssensors erfolgt beim Centre for Bulk Solids and Particulate Technologies der University of Wollongong, Australien.

In industriellen Anwendungen können die Geschwindigkeit und der Massenfluss von strömenden Gasen und Flüssigkeiten durch Rohre und Schläuche zuverlässig und mit ausreichender Messunsicherheit bestimmt werden. Für Gas-Feststoffströmungen, wie sie bei der pneumatischen Förderung von Schüttgut vorkommen, ist die Messung dieser Parameter nach wie vor eine Herausforderung. Dieser Typ von Strömungen ist häufig in industriellen Prozessen anzufinden, da Materialien wie Kohle oder Sand und Produkte wie Cornflakes oder Plastikgranulat vielfach pneumatisch befördert werden. Zuverlässige Durchfluss-Messtechnik für diese Anwendungen kann helfen, Prozesse sicherer und effizienter zu gestalten und damit Produktqualität und Energieverbrauch zu verbessern. Im Rahmen des TRP Projektes L355 wurden zwei Messprinzipien basierend auf kapazitiver Messtechnik für Materialgeschwindigkeit und Materialdurchfluss in industriellen Förderprozessen entwickelt und in industrietauglichen Prototypen umgesetzt: ein Ansatz basiert auf einem korrelativen Prinzip und ein zweiter Ansatz auf dem Prinzip der räumlichen Filterung mit einer gitterartigen Elektrodenstruktur. Für die kapazitive Messung wurde eine Auswerteelektronik entwickelt, welche die Anforderungen an die rauen Umgebungsbedingungen im industriellen Umfeld erfüllt. Die Messelektroden können auf flexibler Folie ausgeführt und um ein Schauglas im Rohrnetzwerk befestigt werden. Sowohl die Materialbewegung als auch die Materialkonzentration können dann mit Hilfe des Sensors berührungslos, also von außerhalb des Rohres, bestimmt werden. Die Auswerte- und Steuerelektronik des Sensors ist als universell einsetzbare Plattform konzipiert und erlaubt die Einstellung verschiedenster Parameter um optimal auf die sich teilweise rasch ändernden Förderbedingungen reagieren zu können. Die Anwendbarkeit des Sensors konnte abgesehen von der pneumatischen Schüttgutförderung auch für andere Anwendungen, wie etwa dem Transport von Hackschnitzel mittels Schneckenförderer oder der Durchflussmessung von flüssigem Wasserstoff gezeigt werden. Da der Feuchtegehalt von Schüttgut ein entscheidender Parameter für Transport, Bearbeitung und Lagerung darstellt, wurden im Projekt auch Ansätze und praktische Ausführungen für Feuchtemessung von Schüttgut während des Förderprozesses untersucht. Als wesentliches Ergebnis des Projektes entstanden im Rahmen des TRP Projektes zwei Prototyp Sensoren mit breitem Einsatzbereich, die auch z.B. bei der Messe "Research 2010" der Öffentlichkeit präsentiert wurde. Die wissenschaftliche Arbeit in dem Projekt wurde in mehr als 30 wissenschaftlichen Publikationen und drei erteilten Patenten dokumentiert. Das Projekt hat dabei wesentlich die wissenschaftliche Entwicklung der Projektmitarbeiter unterstützt und dazu beigetragen, dass zwei Habilitationen und eine Dissertation zu den Inhalten verfasst werden konnten.