Fluidtechnik 4.0 Das Ventil als Softsensor

Von Simon Hucko

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Um hydraulischen Komponenten zu digitalisieren, kommen oftmals zusätzliche Sensoren zum Einsatz. Eine günstigere Variante wäre es, wenn Ventile selbst als Softsensor fungieren. Wie das funktioniert, wird derzeit an der RWTH Aachen University erforscht.

Das neuen Verfahren zur Messung des Volumenstroms macht sich die Abhängigkeit zwischen Strömungskraft und Volumenstrom zu nutzen.
Das neuen Verfahren zur Messung des Volumenstroms macht sich die Abhängigkeit zwischen Strömungskraft und Volumenstrom zu nutzen.
(Bild: ifas / RWTH Aachen)

Mehr Funktionalität in hydraulische Komponenten integrieren – damit beschäftigen sich derzeit viele Herstellern. So wollen sie dem Angebot von immer leistungsfähigeren elektrischen Antriebslösungen begegnen. Gleichzeitig wandeln sich Komponenten von losgelösten Funktionselementen zu vernetzten Modulen in höheren Ordnungsprozessen, wie beispielsweise der Industrie 4.0 oder dem IoT. Power- und Condition-Monitoring sowie Smart-Systems gewinnen zunehmend an Bedeutung, erfordern jedoch eine umfangreiche Einsicht in den Prozesse bzw. die Maschine. Dies wird meist durch Messdaten unter Nutzung zusätzlicher Sensoren realisiert. Dieser Entwicklung stehen allerdings der hohe globale Wettbewerbs- bzw. Kostendruck sowie die steigende Systemkomplexität und der Integrationsaufwand gegenüber, sodass erweiterte Funktionalität und damit steigende Kosten sorgfältig abgewogen werden müssen.

Mit kostengünstigen, softwarebasierten Sensoren ans Ziel

Genau diese Diskrepanz soll im hier vorgestellten Projekt des Instituts für fluidtechnische Antriebe und Systeme (ifas) der Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH) gelöst werden – und zwar mit kostengünstigen, softwarebasierten Sensoren. Ziel des Projektes ist es, eine Methodik zur Volumenstromschätzung an direktbetätigten Ventilen mit Topfmagneten für Konstantdrucksysteme zu entwickeln. Durch detaillierte Modellierung des Ventils können inhärente Störeinflüsse berücksichtigt und so von den elektrischen Größen des Aktors sowie der Ankerposition auf den Volumenstrom durch das Ventil geschlossen werden.

Nutzen:

  • Kostengünstige Erfassung einer zentralen hydraulischen Systemgröße
  • Einfache Integration in bestehende Ventile
  • Einfache Integration von Volumenstromsensoren in Maschinen und Anlagen
  • Neue Möglichkeiten im Bereich Energie- und Ressourcenmanagement durch günstigen Softsensor

Vorgehen

  • Modellierung und Entwurf des Softsensors
  • Experimentelle Erprobung
  • Optimierung und Test des Softsensors
  • Validierung mit Beispielanwendungen
Der Ventilmagnet dient dabei als Kraftsensor zur Erfassung der Strömungskraft.

Abhängigkeit zwischen Strömungskraft und Volumenstrom nutzen

Als Grundlage dieses neuen Verfahrens zur Messung des Volumenstroms dient die Abhängigkeit zwischen Strömungskraft und Volumenstrom. Der Ventilmagnet dient dabei als Kraftsensor zur Erfassung der Strömungskraft.

Die Mehrheit fluidtechnischer Ventile wird mittels Topfmagneten aktuiert, welche bei Anlegen eines Stromes eine Magnetkraft erzeugen und so den Schieber bewegen bzw. die Steuerkanten öffnen/schließen. Das dann durch das Ventil fließende Fluid erzeugt wiederum eine auf den Schieber wirkende Strömungskraft, welche insbesondere von der Schieberposition und dem Volumenstrom abhängig ist. Für die meisten industriell relevanten Ventile ist dieser Zusammenhang eindeutig, so dass bei bekannter Schieberposition und Strömungskraft auf den Volumenstrom geschlossen werden kann.

Die in Schließrichtung wirkende Strömungskraft wirkt wiederum dem Elektromagnet entgegen, welcher den Schieber auf einer vorgegebenen Position hält. Dabei stellt sich ein Kräftegleichgewicht aus Magnet-, Strömungs-, Reibungs- und ggf. einer Federkraft ein. Bei bekannter / geschätzter Reib- und Federkraft kann so von der Magnetkraft auf die Strömungskraft geschlossen werden. Den letzten Schritt der Messkette bildet die Schätzung der Magnetkraft aus den Zustandsgrößen des Magneten (Strom, Spannung sowie Position).

Notwendige Größen bereits in Steuerungselektronik vorhanden

Die Grafik zeigt das Messkonzept des Softvolumenstromsensors.
Die Grafik zeigt das Messkonzept des Softvolumenstromsensors.
(Bild: ifas / RWTH Aachen)

Je nach Ventilkonfiguration sind die zur Bestimmung des Volumenstromes notwendigen Größen (Strom, Spannung, Schieberposition) bereits in der Steuerungselektronik vorhanden. Somit lässt sich an dieser Stelle durch die Erweiterung der Steuersoftware kostengünstig eine zusätzliche Funktionalität generieren.

Ein gegenwärtig bereits häufig genutzter Ansatz zur Volumenstrombestimmung in Ventilen ist die Differenzdruckmessung. Dabei wird vor und hinter dem Ventil der Druck gemessen. Bei bekannter Ventilkennlinie und Schieberposition kann so der Volumenstrom durch das Ventil bestimmt werden. Nachteilig bei diesem Ansatz ist die zusätzliche Implementierung zweier Drucksensoren, welche zu einer erhöhten Systemkomplexität und zusätzlichen Kosten führt. Die Abgrenzung zu klassischen Volumenstromsensoren liegt in einer signifikanten Reduktion des nötigen Bauraumes, der Integration sowie vor allem den resultierenden Kosten.

Mit dem neuen Verfahren kann dem Anwender ein preisgünstiger, verschleißfreier und vor allem einfach zu integrierender Sensor einer entscheidenden Messgröße zur Verfügung gestellt werden.

Prozessinformationen direkt aus dem Ventil gewinnen

Mit dem neuen Verfahren kann dem Anwender somit ein preisgünstiger, verschleißfreier und vor allem einfach zu integrierender Sensor einer entscheidenden Messgröße zur Verfügung gestellt werden, um neue IoT- oder Automatisierungskonzepte kosteneffizient umsetzen zu können. Herstellerseitig können nach einmaliger Implementierung die softwarebedingten Skaleneffekte sowie der durch Softwarelösungen mögliche Wissensschutz voll ausgeschöpft werden.

In der hier vorgestellten Variante strebt das Messkonzept nicht an, die Leistungsfähigkeit eines klassischen, hochpreisigen Volumenstromsensors vollständig zu substituieren. Vielmehr soll dieses Messkonzept mit einem für viele Anwendungen ausreichend kleinen Messfehler eine kostengünstige Möglichkeit schaffen, bisher für den Anwender unzugängliche Prozessinformationen auf einfache Weise direkt aus dem Ventil zu gewinnen.

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* Simon Hucko ist wissenschaftlicher Mitarbeiter für Hochleistungskomponenten am ifas – Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme der RWTH Aachen University.

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