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Ausgewählte Ausgabe: 07-08-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Zeitgemäße Filterüberwachung

In unserer modernen industrialisierten Welt sind Filter und saubere Luft ein unzertrennliches Paar. In den letzten Jahrzehnten hat die Filterindustrie große technologische Fortschritte gemacht. Mit neuen Materialen und Designs, Fortschritten in der Vliesherstellung und Filterfaltung, sowie neuen Entwicklungen wie nanotechnologischen Beschichtungen, wurden Filter effizienter, zuverlässiger und kompakter. Die Ansprüche an die Filterindustrie haben sich verändert. Der Zweck von Filtern beschränkt sich nicht mehr auf effiziente Staubzurückhaltung. Mit steigenden Energiepreisen und einem erhöhten Umweltbewusstsein müssen Filter heute auch den Energieverbrauch minimieren.


Bild 1 In der Luft- und Klimatechnik sollen Filter ein gutes Raumklima gewährleisten. Aber sie sollen auch den Energieverbrauch maximieren

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In der Luft- und Klimatechnik sollen Filter ein gutes Raumklima gewährleisten. Aber sie sollen auch den Energieverbrauch maximieren

Potenzial und Grenzen der Luftfiltrierung

Weltweit stehen Filter in vielen Industrien und Applikationen im Einsatz. In Motorfahrzeugen wird die angesaugte Luft gefiltert, um Motor und Luftmassensensor vor Kontamination zu schützen. Kabinenluftfilter versorgen zudem den Fahrer und seine Passagiere mit sauberer und gesunder Atemluft. In der Medizintechnologie reinigen und dekontaminieren Filter die Luft in Beatmungsgeräten und erhöhen so die Sicherheit der Patienten; in der Nahrungs- und Pharmaindustrie sterilisieren sie die Luft in aseptischen Verpackungsprozessen; und in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK) gewährleisten Filter ein gutes Raumklima (Bild 1) oder unterstützen einen sauberen Verbrennungsprozess in Gas-Brennern. Vor einigen Monaten hat die Weltgesundheitsorganisation WHO einen neuen Bericht zur städtischen Luftverschmutzung vorgestellt, gemäß dem mehr als 80 % der urbanen Bevölkerung einer Luftqualität ausgesetzt ist, die über dem WHO-Grenzwert liegt. Luftfiltertechnik wird eine wichtige Rolle spielen müssen, um diese Statistik in Zukunft zu verbessern.
Filter können ihre Funktion nur dann wahrnehmen, wenn sie unbeschädigt und ihre Poren nicht verstopft sind. Um einen ökonomischen, sicheren und adäquaten Betrieb zu gewährleisten, müssen sie deshalb regelmäßig ersetzt werden. Blockierte Filter können zu einer Unterversorgung mit Luft, verminderter Energieeffizienz, lärmenden Ventilatoren, einer reduzierten Filterleistung und damit letztlich zu einer Beschädigung des Filters selbst führen. Je nach Anwendung kann dies unangenehme bis gefährliche Folgen haben. Bei Beatmungsgeräten kann ein Loch im Filtergewebe das Leben des Patienten gefährden und bei Fahrzeugen reduziert ein verstopfter Filter die Effizienz und beschleunigt die Alterung des Motors. Generell bilden feuchte und verschmutzte Filter einen Nährboden für Schimmel und Bakterien. Deshalb ist es wichtig, den Zustand eines Filters zu überwachen und ihn rechtzeitig zu ersetzen.

Zustandsabhängige Wartung

Während im Luftqualitäts-Management und in der Filtertechnik in den vergangenen Jahren große Fortschritte erzielt wurden, stagnierte die Filterüberwachung auf bescheidenem Niveau. Meist werden Filter auch heute noch nach vorgegebenen Service-Intervallen, aufgrund optischer Inspektion durch einen Techniker oder basierend auf rudimentären Druckschaltern ausgetauscht. In der Praxis bedeutet dies, dass Filter meist zu spät ersetzt werden, was einerseits zu einer reduzierten Betriebssicherheit, Energieeffizienz und Leistungsfähigkeit der Anwendung führt, und anderseits den Filterherstellern niedrigere Umsätze beschert.
In den letzten Jahren hat die produzierende Industrie zunehmend auf zustandsabhängige Wartung (Condition Based Maintenance) umgestellt. Dabei wird der Zustand von Verschleißteilen von Sensoren überwacht und eine Wartung nur dann ausgeführt, wenn gewisse Indikatoren eine abnehmende Leistungsfähigkeit oder einen bevorstehenden Ausfall der Komponente anzeigen. Dieser Trend wird der Filterindustrie bei der Markteinführung neuer Filterüberwachungssysteme helfen.

Verwendete Technologien

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Bild 2
Das Bild zeigt den Differenzdruck (dp) als Funktion des Durchflusses bei einem neuen und einem teilweise verstopften Filter, sowie eine typische dp/Fluss-Kurve eines Radialgebläses. Die Schnittpunkte der beiden Kurven zeigen, dass die Filterverschmutzung in diesem Fall einen grösseren Effekt auf den Durchfluss als auf den Differenzdruck hat

Je verschmutzter ein Filter, desto größer ist der Widerstand, den er dem Luftfluss entgegensetzt. Wird in einem System der Durchfluss auf konstantem Niveau gehalten, führt dies zu einem erhöhten Differenzdruck über dem Filterelement. Bei vielen Ventilatoren reduziert sich der Durchfluss bei wachsendem Widerstand aber (Bild 2), womit die zunehmende Blockierung primär zu einem reduzierten Luftfluss führt .
Um den Verschmutzungsgrad eines Filters zu bestimmen, stehen verschiedene Technologien zur Verfügung:
- Herkömmliche Differenzdrucksensoren messen die Auslenkung einer Membran. Sie liefern ansprechende Resultate, wenn der Druckabfall über dem Filter genügend groß ist, haben aber eine ungenügende Genauigkeit bei der Messung von sehr kleinen Druckdifferenzen. Die Ermüdung der Membran kann Drift-Probleme verursachen, was bei der Filterüberwachung äußerst unerwünscht ist, weil in der Regel nicht zwischen Filterverschmutzung und Sensor-Drift unterschieden werden kann.
- Druckschalter zeigen an, wenn ein vordefinierter Schwellenwert überschritten ist. Sie messen jedoch nicht die aktuelle Druckdifferenz, was Trendanalysen unmöglich macht.
- Mikrothermische Differenzdrucksensoren messen einen kleinen Luftfluss durch den Sensor und schließen daraus auf den Differenzdruck. Mit ihrer überragenden Langzeitstabilität und Nullpunktgenauigkeit übertreffen sie andere Sensortechnologien und sind damit speziell geeignet zur Überwachung von Filtern mit kleinem Druckabfall. Aufgrund des kleinen Durchflusses sind sie allerdings ungeeignet, wenn der Filter eine sicherheitsrelevante Sterilisation garantieren muss. Die unter anderem vielfach angeführte Empfindlichkeit gegenüber Staub von mikrothermischen Differenzdrucksensoren kann mit intelligentem Design der Abgriffe, richtiger Positionierung des Sensors, glatter Sensoroberfläche und Detektions-Algorithmen entgegengewirkt werden.
- Massenflusssensoren bestimmen stattdessen den Luftfluss und werden meistens hinter dem Filter installiert. In gewissen Fällen (siehe Bild 2) kann der Zustand des Filters mit einer Flussmessung genauer bestimmt werden als mit einer Differenzdruckmessung. In vielen Applikationen ist der Massenfluss außerdem ein wichtiger Systemparameter, dessen Kenntnis die Implementierung zusätzlicher Funktionen und eine bessere Steuerung des Gesamtsystems erlaubt. Weil ein Flusssensor normalerweise hinter dem Filter platziert wird, können präzise mikrothermale Sensoren eingesetzt werden, ohne dass dabei zusätzliche Maßnahmen gegen Staub erforderlich sind. Im Bypass-Verfahren eingesetzt, können dabei häufig dieselben Sensormodelle wie für eine Differenzdruckmessung verwendet werden.
Die präziseste Filterüberwachung wird erreicht, wenn sowohl der Differenzdruck als auch der Fluss gemessen wird und damit Druckveränderungen relativ zum Luftfluss bestimmt werden können. Später wird gezeigt, dass es in gewissen komplexen Anwendungen unabdingbar ist, beide Parameter zu messen.

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Autoren

 Manuel Eckstein

Key Account Manager HVAC, Sensirion AG, CH-Stäfa bei Zürich.

 Andries Bosma

Product Manager Gas Flow / Differential Pressure, Sensirion AG, CH-Stäfa bei Zürich.

Weiterführende Informationen

Flussmessung im Bypass und Bernoulli-Ring
Eine wirtschaftliche und präzise Möglichkeit zur Gasflussmessung ergibt sich, wenn ein mikrothermaler Fluss- oder Differenzdrucksensor im Bypass über einem Flusswiderstand platziert wird. Die entsprechende Technologie ist weit entwickelt und dokumentiert. Weitere Informationen dazu können unter www.sensirion.com heruntergeladen werden. Der Bernoulli-Ring ist eine spezifische und kostengünstige Lösung zur Durchflussmessung bei einem Radialgebläse. Ein einfacher Ring wird auf die Seite des Gebläses aufgesetzt und greift den Druck auf beiden Seiten des Laufrads ab. Aus der von einem Sensor gemessenen Druckdifferenz kann der Luftdurchfluss mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.

Bewährt und verbessert
Die Differenzdrucksensoren der SDP800 Serie sind die zuverlässige Lösung für anspruchsvolle und zugleich kostensensitive Anwendungen in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik. Die Sensoren sind das Resultat aus über 15 Jahren Erfahrung in der Messung von Luftströmen in Millionen von HLK-Systemen, medizinischen Beatmungsgeräten und Fahrzeugen. Sie besitzen dieselben erfolgserprobten Eigenschaften wie die Differenzdrucksensoren der Serie SDP600 und verfügen über das gleiche bewährte Gehäuse, das eine einfache Integration erlaubt. Der Sensor-Chip der nächsten Generation kombiniert aussergewöhnliche Genauigkeit und Langzeitstabilität mit erweiterten Funktionalitäten und einer höheren Messgeschwindigkeit, und dies alles zu geringeren Kosten.

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Sensirions Differenzdrucksensor der SDP800 Serie

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