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Industrielle Gas-Feuchtemessung

Formulierung der Aufgabenstellung

Die Firma M+R GmbH besitzt langjährige Erfahrungen in Entwicklung und Bau von Messgeräten zur NDIR-Gasanalyse (NDIR = Non Dispersive Infra Red). Gegenwärtig können mit dieser Methode über 100 verschiedene Gase zuverlässig vom ppm- bis in den Prozentbereich detektiert werden. NDIR-Gassensoren, werden vielfach in Wissenschaft und Technik eingesetzt. Als Beispiele seien die Abgasanalyse von Kraftfahrzeugen, die Atemgasanalyse in der Medizin oder die Konzentrationsbestimmung von Kohlenwasserstoffen in der chemischen Industrie genannt.

Mit der NDIR-Gasanalyse läßt sich auch der Feuchtegehalt von Gasen oder die Luftfeuchte erfassen. M+R GmbH hat für Industrieanlagen schnelle Messgeräte zur Luftfeuchtebestimmung entwickelt. Durch ihren modularen Aufbau können die Geräte an die individuellen Anforderungen des Kunden angepasst werden.

Darstellung von Lösungswegen

Die M+R Messgeräte zur Messung der Luftfeuchte zeichnen sich durch ein kombiniertes pneumatisches System aus Pumpe, Drossel und Gasflussmesser aus. Dadurch sind sie universell in großtechnischen Anlagen an Messorten mit Über- oder Unterdruck einsetzbar. Der Fluss kann auf definierte Werte normiert werden. Die durch die Küvette geleitete Luft wird von einem thermischen Emitter bestrahlt, gegenüber dem Strahler befindet sich ein mehrkanaliger pyroelektrischer Detektor. Ein Kanal dieses Detektors arbeitet schmalbandig bei einer Wellenlänge, bei der die Wassermoleküle zu Schwingungen angeregt werden und dadurch Strahlung absorbieren. Das Signal dieses Detektors hängt dadurch von der Konzentration der Wassermoleküle ab. Ein zweiter wellenlängenselektiver Kanal dient als Referenzkanal, wobei dessen Signal nicht von der Wasserkonzentration beeinflusst wird. Aus beiden Signalen wird das Leuftfeuchtesignal gebildet.

Bild 1: Prinzip Luftfeuchtemessgerät
(MIRL - Modulated InfraRed Lightsource, LIM - LiTaO3 InfraTec Multicolor, CaF2 - Fenster aus Calciumfluorid)

Die Geräte arbeiten in bekannter Weise gepulst (direkt modulierte Strahler in Infrarotanalyatoren).

Bild 2: Vorderansicht Luftfeuchtemessgerät

Bild 3: Innenansicht Luftfeuchtemessgerät

Die Firma M+R GmbH hat für eine industrielle Trocknungsanlage mit hohem Luftdurchsatz (Größenordnung xx m3/h ) zwei Standard-Messgeräte zur Luftfeuchtebestimmung zu einem Differenzluftfeuchtemessystem kombiniert, um die Abhängigkeiten und zeitlichen Verläufe der Feuchten zu untersuchen.

In dem großtechnischen Verfahren wird die Trocknungsluft (Zuluft) aus der Umgebungsluft angesaugt, verdichtet und erhitzt. Über den Luftdurchsatz, die Lufttemperatur und die Zeit kann der Trocknungsprozess gesteuert werden. Er wird beendet, wenn das zu trocknende Gut, hier ein Schüttgut, eine genau definierte Restfeuchte aufweist. Dieser Wert wird im Allgemeinen vom Kunden vorgegeben, und ist ein durch die Produktion sicherzustellendes Qualitätsmerkmal.

Die eng tolerierte Restfeuchte ist weiter für die Abfüllung des Schüttgutes in FIBC's (Flexible Intermediate Bulk Container, "Bigbag") von Bedeutung, da zu feuchtes Material zur Verklumpung führt. Die Feuchte der ins Freie gelangende Prozessabluft ist nur ein indirektes, relativ grobes Maß für den Trocknungsverlauf und damit für die momentane Materialfeuchte des zu trocknenden Gutes. Die Abluftfeuchte setzt sich aus der Feuchte, die dem Material während der Trocknung entzogen wird und der Zuluftfeuchte, die wetterbedingt stark schwankt, zusammen.

Durch die Kombination zweier M+R Messgeräte für die Zu- und Abluftfeuchten wurde ein Differenzluftfeuchtemesssystem realisiert, welches den Anlagenfahrern eine prozessrelevante Größe zur Verfügung stellt. Die Messtechnik liefert somit einen Beitrag zur Prozessoptimierung, zur Energieeinsparung und zur Qualitätssicherung.

Bild 4: Kombination zweier Luftfeuchtemessgeräte zu einem Differenzluftfeuchtemesssystem

Bild 5: Installation eines Gerätes in Industrieanlage, Messstelle mit Unterdruck

Bild 6: Screenshot Software Differenzluftfeuchtemesssystem

Das folgende Diagramm zeigt als Beispiel einen Langzeitplot der Zu- und Abluftfeuchten sowie deren Differenz in der Trocknungsanlage. Die obere feingepunktete Linie zeigt den Abluftverlauf. Die Kurve ist relativ konstant, da die Abluftfeuchte- und Temperatur durch den Anlagenfahrer manuell ausgeregelt wurden. Die mittler Kurve (Zuluftfeuchteverlauf) schwankt prozentual mehr, da hier das momentane Wetter eingeht. Die Zuluft wird in der Anlage aus der Umgebungsluft angesaugt und durchläuft zunächst einen Zuluftentfeuchter, welcher diskontinuierlich arbeitet. Insofern sind die Langzeitschwankungen, bedingt durch Wetter und Zuluftentfeuchter, größer. Die untere feingestrichelte Kurve zeigt die Differenz aus Abluft- und Zuluftfeuchte.

Bild 7: Langzeitplot Zuluft-, Abluft-, Differenzfeuchten

Bild 8: Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Feuchten
(Die schnellen Schwingungen rühren vom intermittierenden Betrieb des Zuluftentfeuchters her)

Am 04.07.2010 herrschte eine regnerische Wetterlage. Dadurch erhöhte sich die absolute Feuchte in der angesaugten Luft. Die grüne Kurve zeigt die Prozess-Zuluftfeuchte nach Entfeuchtung durch den intermittierend betriebenen Zuluftentfeuchter. Wie im Vergleich mit der folgenden Wetteraufzeichnung ersichtlich ist, werden äußere Schwankungen der Luftfeuchte über den Zuluftentfeuchter gemildert in die Anlage übertragen, und sind trotz Ausregelung auf dem Verlauf der Abluftfeuchte sichtbar. Die langzeitlichen Schwankungen von Zu- und Abluftfeuchte (blaue Kurve) korrelieren miteinander.

Die Aufzeichnungen einer Wetterstation, einige km von der Trocknungsanlage entfernt, erklären das Verhalten.

Bild 9: Wetteraufzeichnungen für 24 Stunden
(rot: Temperatur (°C), hellgrau: relative Luftfeuchte (%), blau: Niederschlag)

Die absolute Luftfeuchte in g/m3 läßt sich aus den Werten von Druck, Temperatur und relativer Luftfeuchte berechnen und mit den eigenen Messungen vergleichen. Beispiele:

Zeit Temperatur
(°C)
Rel.Luftfeuchte
(%)
Luftdruck
(hPa)
Abs. Feuchte
(g/m3)
Abs. Feuchte
(g/m3)
eigene Messung
04:00 18,0 60 1014,5 9,2 4,5
10:00 24,0 75 1016,5 16,3 7,0
16:00 27,5 63 1016,5 16,6 7,5
22:00 24,5 74 1016,0 16,5 7,5

Daraus ist ersichtlich, dass der Zuluftentfeuchter den Wassergehalt der angesaugten Luft um ca. die Hälfte vermindert.


Weitere Beispiele



Forschung

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Aninstitut der Hochschule Anhalt

Fachberich 6

BMBF
anerkannte Forschungseinrichtung