Ziel der Entwicklung

Die Motivation für das Projekt entstand aus dem klaren Bedarf der Industrie nach einer einfachen, nachrüstbaren und zuverlässigen Lösung zur Drucküberwachung in Prozessrohren. Der wirtschaftliche Impuls kam von Unternehmen, die bestehende Anlagen sicherer und effizienter betreiben wollen, ohne hohe Kosten oder Betriebsunterbrechungen in Kauf nehmen zu müssen. Das entwickelte System löst das Problem der nichtinvasiven Druckmessung und bietet damit einen Mehrwert für viele industrielle Anwendungen. Durch die Möglichkeit, das System einfach nachzurüsten und flexibel an verschiedene Rohrdurchmesser und Einsatzbedingungen anzupassen, sind Prozessanlagen besser zu überwachen, Wartungen gezielter zu planen und die Betriebssicherheit nachhaltig zu erhöhen.
Das zentrale Problem bestand darin, eine Technologie zu entwickeln, die den Druck im Inneren eines Rohrs oder Behälters von außen messen kann, ohne das Rohr zu öffnen oder den laufenden Betrieb zu stören. Die Lösung sollte folgende Anforderungen erfüllen:
– nicht invasive Druckmessung in Rohren oder Druckbehältern ohne Medienkontakt
– nachträgliche Installation
– leichter Einbau, aber dafür leichte Abstriche in der Genauigkeit
– Messgenauigkeit ca. 1% - 3% vom Messbereich (4 bis 300 bar)
– integrierte Temperaturmessung für die Temperaturkompensation
– vor mechanischen Einflüssen schützendes Gehäuse
Um diese Ziele zu erreichen, wurde im Projekt eine spezielle Manschette entwickelt, die von außen auf das Rohr gesetzt wird. In diese Manschette sind hochsensitive Silizium-Dehnungssensoren integriert, die kleinste Veränderungen der Rohrwand erfassen. Wenn sich der Innendruck im Rohr ändert, dehnt sich die Rohrwand minimal aus. Diese winzigen Dehnungen werden von den Sensoren erkannt und in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Vorteile und Lösungen

Die Idee war, den Druck im Rohr indirekt zu messen. Wenn der Druck im Inneren eines Rohrs steigt, dehnt sich die Rohrwand minimalst aus. Diese Ausdehnung ist sehr klein, oft nur Bruchteile eines Mikrometers, aber sie lässt sich mit sehr empfindlichen Sensoren wie den Silizium-Dehnungssensoren messen. Wir haben daher eine spezielle Manschette entwickelt, die von außen direkt auf das Rohr gesetzt wird. In diese Manschette werden die Silizium-Dehnungssensoren integriert. Sie sind so empfindlich, dass sie selbst kleinste Veränderungen der Rohrwand erfassen können.
Im ersten Schritt erfolgte die Erprobung handelsüblicher Rohrmanschetten. Es zeigte sich jedoch, dass diese häufig zu ungenau sind, da sie die Dehnung nicht gleichmäßig weitergeben oder zusätzliche Verspannungen durch ihre Geometrie erzeugen. Daher wurde entschieden, eigene Manschetten zu entwickeln, die speziell auf die Projektanforderungen zugeschnitten sind. Mittels Computersimulationen (Finite-Elemente-Methode) wurden die Auswirkungen unterschiedlicher Manschettenformen und Materialien auf die Integrierbarkeit und Messgenauigkeit analysiert. Ziel war die Entwicklung einer Manschette, die die Dehnung der Rohrwand optimal auf die Sensoren überträgt. Dabei wurde besonders darauf geachtet, dass die Manschette selbst keine unerwünschten Spannungen erzeugt, die das Messergebnis verfälschen könnten.
Basierend auf den Simulationsergebnissen erfolgte die Manschettenfertigung mit verschiedenen Materialien und Geometrien. Sie wurden so gestaltet, dass sie sich einfach und formschlüssig an verschiedene Rohrdurchmesser anpassen lassen und eine optimale Positionierung der Sensoren ermöglichen.
Die eingesetzten Sensoren bestehen aus Silizium und zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit aus. Sie werden mit einer speziellen Montagetechnik (Glasfritte) direkt auf den sensiblen Bereich der Manschette aufgebracht. Diese Methode gewährleistet einen festen Sitz des Sensors, ohne dass zusätzliche Montagespannungen das Messergebnis verfälschen.
Um verfälschte Messergebnisse durch Temperaturänderungen zu vermeiden, wurden zusätzlich Silizium-Temperatursensoren integriert. Diese erfassen die auf den Dehnungssensor einwirkende Temperatur und ermöglichen dadurch eine automatische Korrektur, sodass das Messsignal auch bei wechselnden Temperaturen zuverlässig bleibt.
Zum Schutz der empfindlichen Sensoren sowie der kompletten Manschette vor äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit, Schmutz oder mechanischer Belastung wurde ein entsprechendes Gehäuse entwickelt. Dieses stellt sicher, dass das gesamte System dauerhaft und zuverlässig funktioniert.
Die von den Sensoren erfassten Signale werden mit einer handelsüblichen Elektronik verarbeitet. Diese Elektronik ist so ausgelegt, dass eine einfache Integration in bestehende Überwachungssysteme der Industrie möglich ist. Dadurch können die Messergebnisse direkt genutzt werden, ohne dass aufwändige Umrüstungen oder Aufarbeitungen erforderlich sind.
Das System wurde in mehreren Testreihen unter realen Bedingungen geprüft. Dabei erfolgte die Erprobung der Sensoren an Prozessrohren mit unterschiedlichen Durchmessern sowie unter verschiedenen Druck- (p = 4 – 300 bar) und Temperaturbedingungen T = bis 80 °C. Die Ergebnisse zeigten, dass die Messungen sehr genau, stabil und wiederholbar sind. Auch bei hohen Drücken bis 1000 bar blieb das System zuverlässig.
Durch die Kombination aus angepasster Manschette, hochsensiblen Silizium-Dehnungssensoren, intelligenter Temperaturkompensation und robustem Gehäuse ist es gelungen, ein System zu entwickeln, das den Druck in Rohren und Behältern von außen und ohne Eingriff in das System messen kann.

Nachrüstbarkeit: Das System kann an Prozessrohre in bestehenden Anlagen einfach angebracht werden, ohne das Rohr selbst zu öffnen oder den Betrieb zu unterbrechen.
Nichtinvasiv: Die Messung erfolgt von außen. Für das Messsystem und für den Installateur besteht keine Gefahr für den Kontakt mit dem Medium im Prozessrohr.
Hohe Genauigkeit: Die Sensoren messen kleinste Änderungen der Rohrdehnungen.
Robustheit: Das System ist gegen Umwelteinflüsse geschützt und funktioniert auch bei wechselnden Temperaturen und Drücken.
Einfache Integration: Die Elektronik kann problemlos an bestehende Überwachungssysteme angeschlossen werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Entwicklung dieses neuen, nachrüstbaren Druckmesssystems für Prozessrohre und Druckbehälter ist für viele Anwender in der Industrie von großem Interesse. Die Überwachung von Industrieanlagen kann damit einfacher und kostengünstiger gestaltet werden. Die Lösung ist flexibel, nachrüstbar und bietet einen klaren Mehrwert für viele Anwendungen in der Industrie. Die wichtigsten Zielgruppen sind Unternehmen, die industrielle Anlagen betreiben.
Prozessindustrie: Firmen aus der Chemie, Petrochemie, Lebensmittelindustrie, Pharmazie und Papierherstellung. Hier werden viele Rohrsysteme eingesetzt, in denen Flüssigkeiten oder Gase unter Druck transportiert werden.
Energie- und Kraftwerksbetreiber: In Kraftwerken und Energieanlagen ist die Überwachung von Druck ein zentraler Bestandteil der Sicherheitstechnik.
Öl- und Gasindustrie: Auch hier ist die Überwachung von Rohrleitungen und Behältern besonders wichtig, um Leckagen oder gefährliche Situationen frühzeitig zu erkennen.
Maschinen- und Anlagenbau: Hersteller von Maschinen und Anlagen, die Drucksysteme enthalten, können das neue System in ihre Produkte integrieren oder als Nachrüstlösung anbieten.
Forschung und Entwicklung: Universitäten, Forschungsinstitute und Labore, die neue Messmethoden oder Sensorik testen und weiterentwickeln.
Anwender profitieren auf verschiedene Weise von dieser Entwicklung:
Einfache Nachrüstung: Das System kann an bestehenden Anlagen angebracht werden, ohne dass Rohre geöffnet oder der Betrieb gestoppt werden muß. Das spart Zeit und Kosten.
Mehr Sicherheit: Durch die kontinuierliche Überwachung des Drucks können gefährliche Situationen frühzeitig erkannt und vermieden werden.
Weniger Wartungsaufwand: Da das System von außen misst und robust gebaut ist, sind weniger Wartungen und Kalibrierungen nötig.
Flexibilität: Das System kann an unterschiedliche Rohrdurchmesser und Materialien angepasst werden und ist für verschiedene Medien (Flüssigkeiten und Gase) geeignet.
Der Transfer der FuE-Ergebnisse in die Unternehmen erfolgt auf mehreren Wegen:
Kundenspezifische Entwicklungsprojekte: Das Forschungsinstitut arbeitet direkt mit Geräteherstellern und Anwendern zusammen, um das System an deren spezielle Anforderungen anzupassen. Erste Gespräche mit Industriepartnern laufen bereits, um das System in bestehenden Anlagen nachzurüsten und die Vorteile in der Praxis auch langfristig zu nutzen und zu evaluieren.
Lieferung von Sensorkomponenten: Die entwickelten Sensoren und Manschetten können als Bauteile an Unternehmen geliefert werden, die sie in ihre eigenen Produkte integrieren.
Technologietransfer: Das Institut bietet Unterstützung bei der Einführung der neuen Technologie, etwa durch Schulungen, technische Dokumentation und Beratung.
Messen und Fachveranstaltungen: Die Ergebnisse werden auf Messen, Konferenzen und in Fachzeitschriften vorgestellt, um weitere Anwender zu erreichen.
Für das Forschungsinstitut ergeben sich dabei mehrere wirtschaftliche Vorteile:
Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit: Das Institut positioniert sich als innovativer Partner für die Industrie und kann weitere Forschungs- und Entwicklungsaufträge gewinnen.
Langfristige Kooperationen: Durch die enge Zusammenarbeit mit Unternehmen entstehen langfristige Partnerschaften und Folgeprojekte.
Internationales Wachstum: Da der Markt für MEMS-Sensoren weltweit wächst, kann das Institut auch international neue Kunden gewinnen.