Messdatenerfassung MSR145 Datenlogger mit Druckluftsensor

Klein, aber fein: Die vielseitigen Mini-Datenlogger von MSR Electronics werden vermehrt von der herstellende Industrie entdeckt. Das kommt nicht von ungefähr. Wie der vorliegende Anwenderbericht über MSR-Datenlogger bei Festo’s Energy Savings Services zeigt, können die kleinen Datenaufzeichnungsgeräte weit mehr, als von den typischen Anwendungen – z.B. dem Überwachen von Transport-, Klima- und Prozessbedingungen – bislang bekannt ist.

Autor: Dipl.-Ing. Jürgen Billep, Service Portfolio Management Energy Savings Services, Festo, Dipl.-Ing. Uwe Hessmer, MSR Electronics GmbH

Die Division Energy Savings von Festo, dem weltweit führenden Automatisierungsunternehmen, bietet Druckluft-Anwendern massgeschneiderte Dienstleistungen zur Ermittlung und Ausschöpfung von Druckluft-Einsparpotenzialen. Die Nachfrage nach Energieanalysen hat in den letzten Jahren gemäss Dipl.-Ing. Jürgen Billep, Auditor bei Festo‘s Energy Saving Services, stetig zugenommen. Denn um im harten Wettbewerb bestehen zu können, so der Ingenieur, suchen viele Unternehmen nach Einsparpotenzialen in ihrer Produktion. Und diese finden sie sehr oft in ihren meist schon seit Jahren bestehenden Druckluftsystemen und -anlagen.

Energiekosten in Druckluftsystemen bis zu 60 % senken

Druckluft ist relativ kostspielig: Der Kubikmeter kostet gegenwärtig ca. 1,8 Cent. Druckluft ist damit rund acht- bis zehnmal so teuer als der elektrische Direktantrieb von Maschinen und Werkzeugen (Quelle: HS Esslingen) Bei Anlagen mit wenigen Betriebsstunden machen die Stromkosten geschätzte 20% der Betriebskosten aus, bei Anlagen, die rund um die Uhr laufen, können es bis zu 80% sein. (Quelle: energie.ch).

Es lohnt sich also, den Druckluftverbrauch genauer unter die Lupe zu nehmen, um die Energieeffizienz in einer Prozess- oder Fertigungs-Umgebung zu steigern und die Kosten zu senken. Doch dazu muss das Druckluftsystem eines Unternehmens ganzheitlich betrachtet werden. Die Analyse von Festo reicht deshalb von der Drucklufterzeugung/Druckluftaufbereitung über die Druckluftverteilung mit Leckage-Ortung bis hin zur pneumatischen Anwendung selbst. Die von den Festo-Spezialisten durchgeführten Druckluft-Energieeffizienz-Analysen erfolgen gemäss ISO 11011 und sind vom TÜV SÜD zertifiziert. „Wir bemühen uns um ein ganzheitliches und unabhängiges pneumatisches System-Engineering zum Nutzen des Kunden. Wir sind stolz darauf, dass wir für unsere Kunden bis zu 60% Einsparungen erreichen konnten und das bei steigender Produktivität“, berichtet Jürgen Billep. „Bei diesen Aufgaben“, so der Ingenieur, „wird Festo massgeblich durch die MSR-Datenlogger des Typs MSR145 mit Analogeingängen zum Anschluss unserer externen Drucksensoren unterstützt.“

Ermittlung von Kosteneinsparungen mittels Druckwertmessungen

Die Datenlogger des Schweizer Messtechnikunternehmens MSR Electronics GmbH werden von Festo einerseits bei Durchflussmessungen, andererseits zur Druckwertaufnahme eingesetzt. Zur Druckwertaufnahme positioniert Ingenieur Billep jeweils mindestens drei zeitsynchronisierte MSR145 Datenlogger; am Druckerzeuger, nach der Druckluftaufbereitung und am entferntesten Punkt des Druckluftnetzes. Gemessen und aufgezeichnet werden mit den Loggern der Umgebungszustand (Druck, Temperatur und Feuchte) sowie der tatsächlich erzeugte Luftdruck. Für die Analyse der Anwendungen selbst können weitere Messstellen vorgesehen werden.

Ein Druckabfall nach der Druckluftaufbereitung und -verteilung von mehr als 0,6 bar ist beispielsweise schon als negativ einzuordnen, ein Druckverlust von 1,0 bar im anschliessenden Druckluftsystem gar dramatisch. Wenn es dem Systembetreiber gelingt, z.B. 2,1 bar Druckverlust in seinem Gesamtsystem zu reduzieren, ist allein hierdurch eine Kosteneinsparung in der Drucklufterzeugung von über 10% möglich.

Aber nicht nur solche Einsparpotenziale werden von Festo’s Fachleuten aufgespürt, sondern auch konzeptionelle Verbesserungen, wie beispielsweise am Rohrleitungsdesign, der Druckluftqualität, Filterbelastungen und effizienter Anwendungseinsatz.

Durchflussmessungen mit eingebautem MSR-Datenlogger

Mit Durchflussmessungen im Kunden-System werden von Festo der Ruheverbrauch und damit Leckagen im System ermittelt, die dann nach erfolgter Reparatur mittels einer Check-Analyse überprüft werden.

Die Durchflussmessungen und die Ermittlung der Leckagen werden ebenfalls mit MSR Datenloggern des Typs MSR145 durchgeführt. Die Messbox von Festo verfügt über einen eingebauten MSR145 mit zwei analogen Eingängen für 0…10,0 V. In wenigen Stunden Messzeit erhalten die Auditoren mit der Messbox einen detaillierten Überblick über den Status der Anlage und können dem Kunden eine differenzierte Soll/Ist-Analyse und Prognose des Einsparpotenzials sowie ein Ranking der erforderlichen Massnahmen darlegen. „Die intuitive und übersichtliche Software, die mit den Datenloggern von MSR zur Verfügung steht, erleichtert uns die Auswertung der Daten dabei sehr, nicht zuletzt auch deshalb, weil eine kontinuierliche Erweiterung der Funktionalität der Software seitens MSR erfolgt“, so Jürgen Billep, „Wir können sehr einfach die relevanten Messkurven der einzelnen Datenlogger in eine Darstellung integrieren und erhalten so die Ergebnisse für unsere Analyse.“ Für weitergehende Analysen lassen sich mit der MSR-PC-Software auch verschiedene gemessene Werte mathematisch verrechnen und graphisch darstellen.

Datenlogger lösen messtechnische Herausforderungen zu überschaubaren Kosten

Festo wählte die MSR145 Datenlogger vor allem deshalb aus, weil sie sehr klein und dabei sehr multifunktional einsetzbar seien. Zudem zeichneten sie sich durch hohe Flexibilität aus, beispielsweise bei der Sampling-Rate, erklärt der Ingenieur. Eine hohe Samplingrate ist bei den eigentlichen Druckmessungen erforderlich, da sich die Luft mit bis zu 20 m/s im Rohr bewegen kann, was zu erheblichen Druckschwankungen in kurzer Zeit führt. Mit den MSR-Datenloggern lassen sich so genaue Aussagen zu den Druckverhältnissen und Druckverläufen pro Zeiteinheit machen und insbesondere den Druckabfall beobachten. Auch die überschaubaren Kosten seien mit ein Grund für die Anschaffung von MSR- Datenloggern gewesen.

Die Logger: Multitalente der Messtechnik

Entwickelt und mit Schweizer Präzision hergestellt, werden die Mini-Datenlogger von der MSR Electronics GmbH mit Sitz in Seuzach, Nähe Winterthur. Das noch junge Unternehmen – 2006 entstanden aus einem Management-Buy-out – hat sich auf miniaturisierte, autonom einsetzbare Universal-Datenlogger spezialisiert. Mithilfe von hochempfindlichen Sensoren erfassen die MSR-Logger fast beliebige physikalische und elektrische Messdaten wie Temperatur, Feuchte, Druck, Helligkeit, Vibrationen und auch extern zugeführte elektrische Spannungswerte. Wie der Geschäftsführer Wendelin Egli schmunzelnd erwähnt, werden seine Datenlogger inzwischen weltweit „von ganz oben – Transportüberwachungen in Raumtransportern der NASA – bis ganz unten – für Messungen in Offshore-Anlagen im Atlantik – eingesetzt. Nebst der Entwicklung eigener Produkte bearbeitet MSR Electronics auch kundenspezifische Aufträge und Projekte – wie im vorliegenden Anwenderfall von Festo. Auf den Auftrag von Festo ist Egli besonders stolz. Für die Nummer 1 in der Automatisierungstechnik arbeiten zu können, so der Geschäftsführer, sei nicht nur gut für‘s Renommee, der Austausch und die fruchtbare Zusammenarbeit sorge zudem dafür, dass auch seine künftigen Innovationen den Wünschen und Bedürfnissen seiner Kunden entsprechen würden.

MSR255 Datenlogger mit Drucksensoren auf der Suche nach Leckagen in Vakuumkammern

Mini-Datenlogger erweisen sich in verschiedensten Bereichen der Industrie und Wissenschaft als nützliche Tools zum Erfassen und Aufzeichnen physikalischer Messgrössen. Wie der vorliegende Anwenderbericht über MSR Datenlogger bei der Climeworks AG – einem international ausgezeichneten Entwickler von CO₂-Kollektoren – , zeigt, können die kleinen Datenaufzeichnungsgeräte weit mehr, als von den typischen Anwendungen – z.B. dem Überwachen von Transportbedingungen – bislang bekannt ist

Autoren: Nic Piatkowski, PhD, Climeworks AG, Gabriela Zumkehr, MSR Electronics GmbH

CO₂ ist als Klimakiller in Verruf geraten, hat aber nicht nur Schattenseiten. Das Gas wird etwa als Schutzatmosphäre beim Verpacken von Lebensmitteln eingesetzt oder hilft, das Wachstum von Pflanzen zu beschleunigen. Mit den innovativen Technologien der Züricher Climeworks AG, einem Spinoff der ETH Zürich, wird das Gas – unter Nutzung von Abwärme – praktisch CO₂ -neutral produziert. Climeworks hat mit dem CO₂ -Kollektor eine technische Lösung entwickelt, welche mit geringem Energieaufwand hoch konzentriertes CO₂ aus der Luft gewinnt. Dieses «erneuerbare» CO₂ ist idealer Rohstoff für viele industrielle Anwendungen, unter anderem für synthetische Fahrzeug-Treibstoffe wie Diesel, Benzin oder Methan. Den Nutzen der CO₂-Kollektoren hat zum Beispiel auch der Fahrzeughersteller Audi erkannt: Noch in diesem Jahr soll das weltweit erste Industriemodul eines CO₂-Kollektors in eine Anlage zur Produktion von synthetischem Treibstoff integriert und getestet werden.

Was CO₂-Kollektoren machen

Der Climeworks-Prozess basiert auf der zyklischen Adsorption und Desorption von CO₂ aus der Umgebungsluft. Im Adsorptionsprozess durchströmt Umgebungsluft eine speziell entwickelte Adsorber-Konstruktion, die ein Sorbentmittel enthält, welches das CO₂ an sich bindet. Sobald das Sorbentmittel mit CO₂ gesättigt ist, wird der Vorgang auf die Desorptionsphase umgeschaltet, in der das Sorbentmittel das abgeschiedene CO₂ wieder freisetzt. Dazu wird es mit Hilfe von Niedertemperaturwärme auf ca. 80-130 °C erhitzt und in einer Vakuumkammer einem Grobvakuum ausgesetzt. Für eine neue Produktlinie hat die Firma eine solche Vakuumkammer herstellen lassen, welche mithilfe eines Mini-Datenloggers auf Leckagen und Strukturfestigkeit überprüft wurde.

Datenlogger mit Drucksensor und Temperatursensor überwachen das Vakuum

Climeworks wählte für die Abnahmetests der Vakuumkammer einen Datenlogger des Typs MSR255 der Schweizer Messtechnik-Firma MSR Electronics GmbH aus. Dieses kompakte Mini-Messtechnik-Labor verfügt über einen grossen Speicher (2 Millionen Messwerte), eine individuell konfigurierbare LC-Anzeige und eignet sich ideal für flexible Messungen vor Ort – auch unter speziellen Umgebungsbedingungen. In der Vollversion ist der Datenlogger in der Lage, zeitgleich bis zu fünf verschiedene Messgrössen zu erfassen und deren Werte aufzuzeichnen, bei Climeworks kam der MSR255 jedoch mit einem externen Temperatursensor und mit Analogeingängen zum Anschluss eines eigenen Drucksensors, der in der Vakuumkammer platziert ist, zum Einsatz. Mit dem Logger liessen sich so genaue Aussagen zu den Druckverhältnissen und Druckverläufen pro Zeiteinheit machen; insbesondere konnte ein Druckabfall, verursacht durch eine Leckage, beobachtet werden.

Für den Abnahmetest wurde die Vakuumkammer am Herstellungsort bis auf einen Druck von etwa 1 mbar absolut luftleer gepumpt, wobei die Temperatur- und Druckwerte überwacht wurden, um die Qualität der Dichtung zu überprüfen. Der Druck wurde mit einem 2-Draht-/ 24-V-Drucksensor mit 4…20-mA-Ausgang für einen Druck von 0-1 bar absolut gemessen. Dieser wurde aus einem Labornetzgerät gespeist und mit dem 4—20-mA-Analogeingangskanal des MSR255-Datenloggers verbunden. Der Logger wurde so programmiert, dass das 4…20-mA-Signal direkt in einen Ausgabewert von 0-1 bar (absolut) umskaliert wurde. Die Temperatur der Vakuumkammer wurde mit dem integrierten Temperatursensor des MSR255 gemessen, der an der Wand der Vakuumkammer angebracht war. Zur Auswertung der Messwerte dient die MSR PC-Software, die sehr aussagekräftige Messdiagramme liefert. Aus den daraus ersichtlichen Verläufen der Temperatur- und Druckwerte sowie dem bekannten Volumen der Vakuumkammer konnte die Zunahme der Luftmasse in der Kammer über die thermische Zustandsgleichung idealer Gase bestimmt und somit die Leckrate berechnet werden. Schon an diesem praktischen Beispiel ist zu erkennen, dass die Miniatur-Datenlogger sich in vielfältigen messtechnischen Anwendungs-Szenarien nutzbringend sowie zeit- und dadurch kostensparend einsetzen lassen – das Applikations-Spektrum reicht von der Logistik über die Maschinen- und Transport-Überwachung bis hin zur Labor-Messtechnik, zur Automobil-Prüfstandstechnik und sogar zur Luft- und Raumfahrt.