Entwicklung eines auftriebsneutralen autarken Multi-Parameter-Sensors zur Datenerhebung in Flüssigkeitsströmungen

Die Erhebung räumlich verteilter Prozessparameter in großtechnischen Behältern, wie Rührkesselreaktoren oder Schüttgutbehältern, ist für die Untersuchung und Optimierung von verfahrenstechnischen Anlagen und Prozessen von großer Bedeutung. Die Messung und die Überwachung solcher Prozesse werden jedoch durch den eingeschränkten Zugang zu den Behältern oft erschwert. Herkömmliche Messsonden werden üblicherweise nur lokal installiert und räumlich auflösende Apparate, wie Kameras oder Tomografen, sind oft nicht anwendbar oder zu teuer. Aus diesen Gründen gewinnen autonome Sensortechnologien zunehmend an Interesse.
Zur Erhebung von Prozessparametern in einem Biogasfermenter wurde das Konzept auftriebsneutraler autonomer Sensorpartikel entwickelt. Der vorhandene Prototyp besteht aus einer Elektronik zur Messung und Speicherung der Daten von drei miniaturisierten Messfühlern, welche zusammen in einer robusten Kapsel eingehaust sind (Abb. 1a). Bei der Auswahl der Sensoren wurden zunächst die grundlegenden Prozessparameter Temperatur, Druck und Beschleunigung berücksichtigt, um erste Rückschlüsse auf die Hydrodynamik und den Prozessverlauf im Fermentationsbehälter zu ziehen. Das System kann durch weitere Sensoren erweitert werden. Als Temperatursensor für den Bereich 10…70°C wird ein NTC-Thermistor verwendet. Die Druckmessung im Bereich 0…200 kPa erfolgt mit einem piezoresistiven Druckaufnehmer. Die Beschleunigung wird mittels eines linearen 3D-MEMS-Inertialsensors erfasst. Der Betrieb des autonomen Sensors wird von einem Mikrocontroller gesteuert, in dem ein Energiemanagement mit mehreren Betriebszuständen implementiert ist. Im autonomen Messregime erfasst der autonome Sensor einen Datensatz aller Messfühler in einem benutzerdefinierten Intervall zwischen 100 ms und 60 s, speichert die Daten im EEPROM-Speicher (4 x 1 Mbit) und wechselt dann automatisch in einen Schlafmodus zurück, wodurch eine längere Laufzeit erzielt wird. Die Versorgungsspannung (3,3 V) wird über eine NiMH-Akkuzelle (600 mAh, 1,2 V) und einen DC-DC-Wandler bereitgestellt. Bei einer Messfrequenz von 1 min-1 ist eine Laufzeit von ca. 100 Tagen realisierbar. Die Parametrierung des Sensors und das Auslesen der EEPROMs nach dem Ausscheiden aus dem Prozess erfolgt über ein Bluetooth-Funk-Modul. Die Auftriebsneutralität des autonomen Sensors kann bei Bedarf manuell eingestellt werden. Dabei wird eine isolierte und definierte Menge Metallgranulat im Gehäuse platziert, um das Sensorgewicht an die mittlere Dichte des Prozessmediums anzupassen. Diese Anpassung ist notwendig, damit sich der Sensor frei mit der strömenden Flüssigkeit im Prozess mitbewegen kann.
In einem ersten Experiment wurde die autarke Funktionsweise des Sensors getestet. Der beschwerte Sensor wurde in einem mit Wasser befüllten vertikalen Rohr (Höhe 1,4 m), in welchem eine Temperaturschichtung vorhanden war, manuell auf- und abbewegt. Mit zunehmender Eindringtiefe in die Flüssigkeit ist demnach eine Abnahme der Temperatur zu erwarten und umgekehrt. In Abb. 1b ist der gemessene Zeitverlauf der Temperatur und der aus dem hydrostatischen Druck ermittelten Eindringtiefe dargestellt. Wie in der Auf- und Abtauchphase deutlich zu erkennen ist, wurde der zu erwartende Verlauf beider Größen durch die Messung eindeutig abgebildet. In einem nächsten Schritt soll der Sensor in dem Modell eines Biogasfermenters mit Rührwerk getestet werden.