| Sensortechnik
Ein Arbeitsgebiet der SIVUS gGmbH ist der Bereich innovativer Sensorsysteme in der Partikel- und Strömungsmesstechnik unter Einbeziehung der Mikrosystemtechnik. Die Entwicklung neuer Sensoren wird für die Anwendung in der Umwelttechnologie, der Verfahrenstechnik und im Maschinenbau vorgesehen und wird auf Strömungs- und Partikelsensoren ausgerichtet. Eine wesentliche Zielstellung ist dabei die Robustheit und Wirtschaftlichkeit der kompletten Sensorsysteme, um in den genannten Anwendungsgebieten erstmalig praxistaugliche und finanzierbare Lösungen zu schaffen. Das jeweilige Sensorsystem wird ganzheitlich entwickelt, d. h., neben dem hardwaremäßigen Aufbau wird auch die Auswertung des Sensorsignals mit eigenen intelligenten Lösungen verwirklicht. Über einen Kooperationspartner organisiert die SIVUS Gesellschaft den Vertrieb von verschiedenen Messgeräten und Sensoren wie zum Beispiel:
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Die Entwicklungen werden bis zu einem Versuchsmusterniveau betrieben, wobei in gewissem Grad bereits Technologieentwicklung erfolgt. In begrenztem Umfang werden die einzelnen Versuchsmuster in eigener Werkstatt gefertigt, die mit entsprechenden Bearbeitungsmitteln ausgerüstet ist. Mit Hilfe von Kooperationsverträgen wird die Überführung der Entwicklungsmuster in die Industrie vorbereitet. Inhalt der Kooperationsverträge ist die Auftragsforschung, die auf Problemlösungen der Industriepartner gerichtet ist. Andererseits entstehen über die Industrieverbindungen die für das An-Institut notwendigen Impulse zur Lösung neuer Aufgaben. Der gegenwärtige Stand der Arbeiten zur Strömungs- und Partikelsensorik wird von vorhandenen, patentierten Funktionsprinzipien geprägt. An erster Stelle sind hier die Sensoren zu nennen, die auf dem faseroptischen Ortsfrequenzfilterverfahren beruhen. Die faseroptische Ortsfilter-Velozimetrie wird als Ein- oder Mehrsondenverfahren zur Bestimmung von Teilchengeschwindigkeiten bzw. der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden in FuE - Einrichtungen sowie in der Industrie erfolgreich eingesetzt. Durch die direkte Messung der Teilchengeschwindigkeiten in Form einer Zeit- bzw. Frequenzmessung ohne zwischenzeitliche Umwandlung in andere Größen (Stromstärke, elektr. Widerstand o. ä.) ist die Ortsfilter-Velozimetrie als Volumenstrommessverfahren nicht von der Temperatur, von Rohrschwingungen, der Stoffzusammensetzung und von elektronischen Feldern abhängig und damit anderen bekannten Verfahren überlegen. Die Fluidgeschwindigkeit wird direkt am Messort in eine charakteristische Frequenz umgewandelt, deren Größe ausschließlich von der vom Sensor vorgegebenen optischen Gitterkonstante und der Geschwindigkeit des Partikels determiniert ist. Der frequenzkodierte Messwert kann streckenneutral über lange Lichtwellenleiter übertragen werden. Das Verfahren arbeitet völlig verschleißfrei. Die erzielten Ergebnisse flossen in die Entwicklung von kundenspezifischen Prototypen ein, die zur Erfüllung unterschiedlichster Messaufgaben dienten. Es wurden 14 Systeme an folgende Firmen/Forschungseinrichtungen verkauft:
Im Juli 1994 wurde mit der FPM Space Sensor GmbH in Freiberg ein Lizenz- und Kooperationsvertrag abgeschlossen, der der gemeinsamen Nutzung und praktischen Umsetzung der erzielten Forschungsergebnisse dient. FPM (Freiberger Präzisionsmechanik) wird hier insbesondere die Markterschließung und Serienfertigung des faseroptischen Ortsfilter-Anemometers übernehmen, während das IAFV die Weiterentwicklung, Optimierung und applikative Anpassung des Sensorsystems betreibt. Im Rahmen eines vom BMFT im Programm "Schadstoffe in der Luftfahrt" geförderten 3-jährigen Forschungsprojekts wird an der Entwicklung eines faseroptischen Sensorsystems zur Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit in der Brennkammer von Flugtriebwerken gearbeitet. Das entwickelte Messsystem ist für hochbeladene Strömungen einsetzbar, wofür Laser-Doppler Verfahren und Lichtschnittverfahren nicht eingesetzt werden können. Beispiele sind Nahbereiche von Zerstäuberdüsen, partikelbeladene Rauchgasströmungen, Wirbelschichten und Feststoffbetten. Darüber hinaus kann das Messsondensystem bei Temperaturen bis 750 °C benutzt werden. Damit werden neue Messmöglichkeiten in der Energietechnik, insbesondere in der Abgasstrombestimmung, eröffnet. Entwicklungen zur Steigerung von Empfindlichkeit und Genauigkeit haben dazu geführt, dass mit Hilfe der faseroptischen Velozimetrie auch die Geschwindigkeit im Submikrobereich bestimmt werden kann. Damit eröffnen sich neue Anwendungen im Bereich der Strömungsmesstechnik für Flüssigkeiten und Gase, die bisher aufwendigen Messsystemen zum Beispiel auf Basis der Laser-Doppler-Technik vorbehalten sind. Eine erste Entwicklung liegt in Form einer Messsonde für Fließgewässer vor , deren Erprobung an dem Eichkanal des Schweizer Bundesamtes für Umwelt, Wald und Landschaft erfolgreich verlief. Von 1995 - 1997 wurde das Forschungsvorhaben "Verbundsensor", das die Anwendung der faseroptischen Ortsfrequenzfilter-Velozimetrie auf die Volumenstrommessung in großen Leitungsquerschnitten zum Inhalt hat, bearbeitet. Der im Rahmen dieses Projekts entwickelte Verbundsensor besteht aus mehreren Messstellen mit modifizierten faseroptischen Ortsfrequenz-Filtern. Durch Auswertung dieser Netzmessung lässt sich auch an Stellen mit komplizierten Strömungsprofilen, die bisher für Messungen nicht geeignet waren, der Volumendurchfluss ermitteln. Anwendung soll dieser Sensor in großen Heizungsanlagen, Kühlkreisläufen, Wasseraufbereitungsanlagen, Klärwerken usw. finden. Dieses Vorhaben wurde vom SMWK für 2 Jahre gefördert und gemeinsam mit der FPM Space Sensor GmbH und Unterstützung seitens der SMWK realisiert. In einem DFG-Projekt (1999 - 2002) wurde diese Technik weiterentwickelt zu einem faseroptischen Mehrpunkt-Durchfluss-Sensor für Flüssigkeitsströmungen in Leitungen mit großem hydraulischem Durchmesser. Die Sensoranordnung für die Durchflussmessung in Rohrleitungen mit großem Durchmesser (> 1m) und unsymmetrischem Strömungsprofil als Netzmessung ist nach VDI/VDE Richtlinie 2640 definiert. Die Verwendung faseroptischer Geschwindigkeitssonden für einen Mehrpunkt-Durchflusssensor macht aufwendige Wartungen überflüssig, was in der Praxis mit enormen Vorteilen verbunden ist. Auch ist dieses Verfahren anwendbar bei stark sedimenthaltigen und blasenreichen Flüssigkeiten unabhängig vom Rohrdurchmesser. Ebenfalls von 1995 an wurde vom BMBF innerhalb des Förderprogramms "Mikrosystemtechnik 1994 - 1999" das Verbundprojekt "AMIS-Abformung von Mikrostrukturen" bis Ende 1997 gefördert. Bestandteil des Verbundprojektes AMIS ist das Teilvorhaben "Ortsfilter-Strömungssensor und Partikel-Coanda-Klassifikator", das von der FG Mehrphasenströmungen bearbeitet wurde. Gemeinsam mit dem Institut für Mikrotechnik Mainz und den Industrieunternehmen Arburg GmbH+Co, Loßburg und IEF-Werner GmbH, Furtwangen, werden mit hochmoderner Spritzgieß- und Abformtechnik unter Zuhilfenahme der Mikromontage Demonstratoren entwickelt, die Sinn und Nutzen der LIGA-Technik bei der Herstellung von Sensoren und Mikrosystemen in der Verfahrenstechnik aufzeigen. Die Entwicklung des abgeformten Ortsfilter-Sensors führt zu einem in großen Serien reproduzierbar und preiswert herstellbaren Geschwindigkeitssensor für Massenanwendungen. Die Entwicklung des Partikel-Coanda-Klassifikators erlaubt die Windsichtung von Feststoffpartikeln im Submikrobereich und ermöglicht u. a. neue Anwendungen bei Werkstoffen. Neben dem faseroptischen Ortsfrequenzfilter-Verfahren wurde das optische Opazimeterprinzip im Rahmen eines ebenfalls von BMWi und AiF über die Forschungsvereinigung Verbrenungskraftmaschinen e. V. geförderten Forschungsvorhabens mit dem Titel "Rußsensor" weiterentwickelt. Hier wurde erstmalig mit Hilfe einer faseroptischen Extinktions-Lichtschranke direkt im heißen Abgas-Volumenstrom eines Dieselmotors die Rußkonzentration mit sehr hoher zeitlicher Auflösung bestimmt. Im Laufe der Projektbearbeitung wurden umfangreiche Erfahrungen beim Einsatz faseroptischer Elemente unter extremen Bedingungen gesammelt (Temperatur bis 500 °C, Druck, Vibration, aggressive Medien). Der Rußsensor dient als Messwertgeber für zukünftige elektronische Motor-Steuerkonzepte in Diesel-PKW und NFZ sowie der On-Board-Diagnose emissionsrelevanter Fehlerzustände im Antriebssystem.
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