Autonome Sensorkonzepte
Hintergrund
Der Betrieb großer Anlagen und Behälter wird von dem Problem begleitet, dass darin ablaufende Prozesse aufgrund erschwerter oder unmöglicher messtechnischer Zugänglichkeit nicht genügend beschrieben und überwacht werden können. Aus diesem Grund wurde am HZDR das Konzept autonomer Sensorpartikel entwickelt, welche als auftriebsneutrale Strömungsfolger in großen Behältern, wie z. B. Biogasfermentern und Belebtschlammbecken, eingesetzt werden können und dabei kontinuierlich Prozessparameter erfassen, speichern und diese nach Rückgewinnung der Partikel aus dem Prozess einem computergestützten Analysesystem zur Verfügung stellen. Die entwickelten prototypischen Sensorpartikel bestehen aus auftriebsneutralen Kapseln, welche mit einer integrierten Messelektronik ausgestattet sind. Die derzeitige Konfiguration berücksichtigt miniaturisierte Sensoren für die Umgebungstemperatur, die Eintauchtiefe als Funktion des hydrostatischen Drucks, die 3D-Beschleunigung, die Drehrate sowie das Magnetfeld und erlaubt die Erweiterung durch ergänzende Messfühler.
Ergebnisse
In Experimenten an Technikumsanlagen, wie ein Rührbehälter, ein Fermenter, ein Schleifenreaktor und eine Blasensäule, und an großskaligen Prozessbehältern, wie Belebungsbecken und Biogasfermentern, wurde die Funktionstüchtigkeit der Sensorpartikel gezeigt. Die Analyse der aufgenommenen Messdaten und die daraus extrahierten räumlichen Parameterprofile zeigen, dass die vorherrschenden Strömungsbedingungen innerhalb des Behälters über einen längeren Zeitraum erfasst werden können und der Zustand des Prozesses abgebildet wird. Es können Aussagen über die Homogenität der Vermischung, die axiale Feststoffverteilung bzw. die Suspensionsgüte, das axiale Strömungsprofil und die Struktur grobballiger Wirbel getroffen werden. Weiterhin können anhand gemessener Zirkulationszeitverteilungen relevante Parameter von Rührwerksmodellen, wie z. B. Zirkulationsbeiwerte und äquivalente Förderhöhen, und Parameter von Dispersionsmodellen, wie die PECLÉT-Zahl, bestimmt werden.
Partner
- Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik
- Fachhochschule Münster, Institut für Energie‐ und Prozesstechnik
- Fraunhofer Institut Keramische Technologien und Systeme, Biomassetechnologien und Membranverfahrenstechnik
- SOWAG Süd-Oberlausitzer Wasserversorgungs- und Abwasserentsorgungsgesellschaft mbH
- Stadtentwässerung Dresden GmbH
Gefördert durch (2008 – 2011)
Referenzen
- S. Thiele, M. J. Da Silva, U. Hampel
Autonomous sensor particle for parameter tracking in large vessels
Meas. Sci. Technol., vol. 21 (8) 085201 (2010) - S. Reinecke, U. Hampel
Autonome Sensorpartikel zur Prozessdiagnose in Großbehältern
Tech. Mess., vol. 79 (10) 464 - 471 (2010) - S. Reinecke, et al.
Flow following sensor particles - Validation and macro-mixing analysis in a stirred fermentation vessel with a highly viscous substrate
Biochem. Eng. J. 69, 159–171 (2012) - S.F. Reinecke
Instrumentierte Strömungsfolger zur Prozessdiagnose in gerührten Fermentern, Dissertation
Dresdner Beiträge zur Sensorik, Band 52, TUDpress (2014) - S. Reinecke, U. Hampel
Instrumented flow-following sensor particles with magnetic position detection and buoyancy control
J. Sens. Sens. Syst., 5, 213-220 (2016) - S. Reinecke, et al.
Macro-mixing characterisation of a stirred model fermenter of non-Newtonian liquid by flow following sensor particles and ERT
Chem. Eng. Res. Des. 118, 1–11 (2017)
