Inertiale Lage- und Bewegungsverfolgung für instrumentierte Strömungsfolger zur Strömungscharakterisierung in Bioreaktoren

Zur Untersuchung der ablaufenden Prozesse in großen Behältern, wie z. B. Biogasfermentern, Bioreaktoren und Belebtschlammbecken, wurde am HZDR das Konzept instrumentierter, strömungsfolgender Sensorpartikel entwickelt [1],[2]. Bisher wurden damit die Strömungsverhältnisse mit probabilistischen Auswertemethoden ausschließlich basierend auf der Messung der vertikalen Position als Funktion des hydrostatischen Drucks charakterisiert und Parameter einfacher Prozessmodelle für Anlagen im Labor- und Pilotmaßstab bestimmt.
Derzeit wird das Konzept des Sensorsystems mit dem Ziel weiterentwickelt, eine räumliche Lage- und Bewegungsverfolgung für Bioreaktoren basierend auf Inertialsensoren zu realisieren. Dies umfasst sowohl die dafür zu qualifizierenden Sensoren für Beschleunigung, Drehrate, Magnetfeld sowie Umgebungsdruck als auch die Softsensor-Algorithmen zur Bestimmung der Lage und der Bewegung. Damit sollen zukünftig Auftriebsmanöver der Sensorpartikel autonom ablaufen und die räumliche Strömungscharakterisierung erfolgen.
Im Beitrag werden drei Softsensor-Algorithmen zur Bewegungsverfolgung vorgestellt und verglichen. Diese sind ein linearisiertes Kalman-Filter (Error State Kalman Filter ESKF) und zwei nichtlineare Komplementärfilter (Direct und Passive Complementary Filter DCF, PCF) nach [3]. Diese Algorithmen wurden mit praxisrelevanten simulierten Strömungsbewegungen (siehe Abb. 1) unter Berücksichtigung von Unsicherheiten der Sensoren und realen Sensordaten analysiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass durch die genaue Lagebestimmung, die Beschleunigung permanent im Koordinatensystem des Behälters nahezu driftfrei bestimmt wird (Abb. 1 und 2). Der Beitrag führt einen umfassenden Vergleich anhand simulierter und gemessener Referenztrajektorien von drei qualifizierten, kommerziellen Inertialsensoreinheiten und diskutiert die relevanten Implikationen für die Auslegung des Sensorsystems.