Wo lohnen sich smarte Sensoren in der Fluidtechnik?

Nur was quantifiziert wird, kann auch analysiert, ausgewertet und angepasst werden. Es gibt daher kaum einen industriellen Bereich, in dem elektronische Sensorik und Messtechnik nicht eingesetzt werden, um Daten für die Fabrik der Zukunft zu liefern. AMA, der Verband für Sensortechnik, schätzt den Branchenumfang in Deutschland auf derzeit 2.500 Hersteller, Händler und Dienstleister, die mit circa 250.000 Mitarbeitern rund 35 Milliarden Euro im Jahr erwirtschaften.

Die Umsatzerwartungen für den zivilen Weltmarkt im Jahr 2020 liegen laut der AMA-Studie „Sensor Technologie 2022“ bei etwa 205 Milliarden Euro. Dies entspricht einer Verdoppelung im laufenden Jahrzehnt von gut 102 Milliarden in 2010. Mehr als die Hälfte des Umsatzes wird in den Wachstumsbereichen Fahrzeugbau, Informations- und Gebäudetechnik erwartet – dort werden große Stückzahlen pro Anwendungsfall verkauft, gefolgt von Medizintechnik, Prozessindustrie und Maschinenbau.

Die Mitglieder des Verbands gehen davon aus, dass die Branche durch Industrie 4.0 nochmals einen deutlichen Wachstumsschub erhalten wird. Denn smarte Sensorsysteme, bei denen neben der eigentlichen Messgrößenerfassung auch die Signalaufbereitung und Signalverarbeitung in einem Gehäuse vereint sind, stärken durch die Verknüpfung ihrer Daten mit anderen Informationen die Wertschöpfungskette. Je mehr Intelligenz in den Sensor in Form anspruchsvoller Signalverarbeitungsalgorithmen integriert wird, desto mehr Möglichkeiten der Selbstüberwachung und Rekonfiguration ergeben sich. Trotz der Komplexität dieser Systeme wird der Einsatz von Plug-and-Play-Anwendungen vereinfacht. „Dienstleistungen wie Predictive Maintenance und Maschinenüberwachung sichern die Zukunft, zum Beispiel bei der Wartung von Windkraftanlagen“, so Thomas Simmons, Geschäftsführer des Verbandes.

Intelligente Einzelsysteme wie etwa die digitalen Präzisionsdruckschalter von SMC können bei Druckluftanlagen oder für die Messung von flüssigen Medien, beispielsweise in der Prozessindustrie oder Wasser- und Abwasserindustrie, eingesetzt werden. Die aktuellen Druckwerte, der Status des Schaltausgangs oder Diagnoseinformationen und Fehlerwarnungen werden vom Sensor direkt an übergeordnete Feldbussysteme oder eine SPS gesendet. Eine dynamische Parametrierung verhindert manuelle Eingabefehler und stellt eine lückenlose Datenerfassung sicher.

Immer öfter handelt es sich bei intelligenten Einzelsystemen um Multi-Sensoren, die Messgrößen physikalischer aber auch chemischer oder biologischer Art messen können. So wird etwa am kaspischen Meer im Iran die Fischzucht in Aquakulturen mit Sensorsystemen der spanischen Firma Libelium überwacht und dementsprechend gesteuert. Denn die Wasserqualität beeinflusst entscheidend die Überlebensrate der Fische. Durch die Messung von Wassertemperatur, Sauerstoffsättigung, pH-Wert sowie Ammonium- und Nitrit-Konzentration und entsprechende Gegenmaßnahmen kann die Sterberate in den Fischfarmen um 30 bis 40 Prozent reduziert werden.

Sensoren werden aber auch vermehrt als Teil eines cyber-physikalischen Systems eingesetzt. Darin werden dank mehrerer vernetzter Sensoren, die an unterschiedlichen Komponenten oder Maschinen Daten sammeln und diese an Cloudsysteme zur Analyse übertragen, entsprechende Maßnahmen autonom abgeleitet und zur Ausführung zurück an einzelne Aktoren der überwachten Komponenten kommuniziert.

Bei Festo wurde das cyber-physikalische System Motion Terminal VTEM als digitalisierte Pneumatik entwickelt. Das softwaregesteuerte Ventil führt unterschiedliche Funktionen über einzelne Bewegungsprofile aus. Auf Knopfdruck kann zwischen verschiedenen Wegeventilfunktionen, Soft Stopps, proportionaler Druckregelung, Druckniveau, Zu- und Abluftdrosselung, Verfahrzeiten oder energieeffizienten Bewegungen umgeschaltet werden. Auch Leckagen lassen sich mit dem System ermitteln.

Insgesamt arbeiten in der über Apps gesteuertem Pneumatik vier, zu einer Vollbrücke verschaltete 2/2-Membran-Sitzventile, die durch vier Piezovorsteuerventile im Zusammenspiel mit der integrierten Hub- und Drucksensorik geregelt und überwacht werden. Anwendungsfelder für das VTEM liegen beispielsweise beim Handling zum Greifen, Aufnehmen und Ablegen von Teilen oder bei Stabilitäts- oder Dichtheitsprüfungen von Behältern.

Bei Vectoflow, einem jungen und innovativen Unternehmen im Bereich der fluiddynamischen Messtechnik sieht man laut Geschäftsführerin Katharina Kreitz einen Trend in Richtung Individualisierung und Miniaturisierung. Sensoren werden auf den speziellen Anwendungsfall angepasst. Durch neue Fertigungstechnologien wie 3D-Druck lassen sich Sensoren viel kompakter, robuster und kleiner herstellen, so dass sie bei Einzelanwendungen mit kleineren Bauräumen weitere Optimierungen der Prozesse durch Messung von Temperatur, Druck oder Vibration möglich machen.

Seit Jahren werden Daten gemessen und gesammelt, doch noch selten durch Auswertung monetarisiert. Sensoren kommen daher oft im Bereich Predictive Maintenance oder Prozessüberwachung zum Einsatz wie beispielsweise bei einer instrumentierten Flugtriebwerksschaufel. Dort werden Strömungsgeschwindigkeit, Druck und Anströmwinkel überwacht. Zukünftig könnte dieses Prinzip auch im echten Flugbetrieb von Flugzeugen eingesetzt werden. Dies hängt jedoch von der Freigabe von 3D-Druck-Teilen im Flugzeugbau ab.

Grundsätzlich steht Effizienz immer stärker im Fokus. Wo Energie umwandelt wird, soll gemessen und überwacht werden. Ventilatoren zur Belüftung etwa müssen heute gewisse Normen erfüllen, die durch Standardisierung oder Gesetzgebung gefordert werden. In der Automobilbranche vermessen Hersteller die Strömungsgenauigkeit im Windkanal, damit dieser so gut wie möglich reale Umgebungsbedingungen wiederspiegelt. Bei Gasturbinen oder Flugantrieben ist die Temperatur eine wichtige Größe für die Auslegung. Hier kommen Keramiksensoren für die Temperatureintrittsmessung des Gases aus der Brennkammer in die Turbine zum Einsatz. Je höher die Temperatur in der Turbine, desto höher der Effizienzkoeffizient des Gesamtsystems. Bei bisher eingesetzten, gekühlten Sonden kommen Messungen eher einer Schätzung gleich, da Differenzen durch Kühlmitteleinwirkung auf einer Seite zu Temperatur des Gases auf anderer Seite rechnerisch nur grob ausgefiltert werden können.

Drohnen können während des Fluges durch Umrechnung der gemessenen Drücke auf aktuellen Anströmwinkel und Temperatur stabiler gesteuert werden. Wurden bei Wasserkraftwerken bisher Partikeltrackingsysteme über Laser und Beobachtungsfenster realisiert, können Sonden jetzt direkt im Wasser platziert werden. Auch im Schiffsbau werden bei Schleppwasserkanälen der Strömungswiderstandskoeffizient, Auftrieb und Abtrieb des Schiffsrumpfs gemessen, während das Schiff durch das Wasser geschoben wird. Je nach Anwendungsfall und um die Anforderungen an höhere Genauigkeit, Temperaturbeständigkeit und Dauerfestigkeit zu erfüllen, bieten Hersteller Materialen wie Edelstahl, Inconel, Titan oder Keramik an.

Das „International Center for Networked, Adaptive Production“ (ICNAP) ist ein Zusammenschluss des Leistungszentrums für vernetzte, adaptive Produktion, gebildet von den drei Aachener Fraunhofer-Instituten für Produktionstechnologie IPT, Lasertechnik ILT und für Molekularbiologie und angewandte Ökologie, mit der RWTH Aachen und weiteren Industriepartnern. Dort wird an Konzepten gearbeitet, wie sich Wertschöpfungsketten zur Herstellung komplexer und individualisierter Produkte flexibler und effizienter gestalten lassen.

Ein Bereich, dem allgemein exponentielle Wachstumschancen nachgesagt werden, ist der der Vibrationssensoren. In einem der ICNAP-Projekte wird gemeinsam mit dem Triebwerkshersteller MTU Aero Engines in München an der Optimierung des Produktionsprozesses von Turbinenkomponenten gearbeitet. „Die Schaufeln von Turbinen sind sehr dünnwandig und neigen deshalb während der Produktion zur Vibration, wenn der Fräsprozess nicht absolut ideal verläuft. Mithilfe eines neu eingesetzten Vibrationssensors sehen wir nun schon während der Produktion, an welchen Stellen welche Vibrationen auftreten. So können wir das Produkt bereits während des Prozesses bewerten“, erklärt Mario Pothen, Projektleiter beim Fraunhofer IPT. Der neue Funkübertragungsstandard 5G erlaubt den Einsatz eines Sensors direkt in der Maschine während die Turbinenschaufeln bearbeitet werden. Eine kabelgebundene Lösung wäre durch die Bewegung der Turbinenschaufeln in der Maschine nicht möglich.