Filterüberwachung in Power Pack

Erfolgte der sorgsame Umgang mit der Ressource „Energie“ früher aus Kostengründen, kommt heute das gewachsene Umweltbewusstsein hinzu. Verbindlich wird das alles durch gesetzliche Vorgaben und den Stand der Technik. Wie eine kontinuierliche Filterüberwachung die Energieeffizienz einer Anlage entscheidend beeinflusst und Sie dabei unterstützt, die gesetzlichen Vorgaben einzuhalten, darüber lesen Sie in diesem Beitrag.

Vergleich Filter neu – Filter gebraucht

Ob bei Luftfiltern in Lüftungs- und Klimaanlagen, oder Ölfiltern in Hydraulikkreisläufen, in beiden Fällen bewirkt eine anwachsende Verschmutzung des Filterelements einen steigenden Druckabfall. Um den Fluss des Mediums (Luft oder Öl) konstant zu halten, muss der Ventilator bzw. die Pumpe mehr Leistung aufbringen. Der Energieverbrauch steigt. Eine Filterüberwachung signalisiert den steigenden Druckabfall über ein verschmutztes Filterelement. Der Tausch eines belasteten Filters sichert den Fluss des Mediums und verhindert damit, dass sich der Energieverbrauch des Ventilators oder der Pumpe erhöht.

Rechtliche Grundlagen

Mit der Verabschiedung des Kyoto-Protokolls hat sich die Europäische Union bereits im Jahr 1997 verpflichtet, die CO2-Emission zu reduzieren. Um dieses Klimaziel zu erreichen, verabschiedete sie im Jahr 2005 die EuP-Richtlinie (Energy using Products-Directive). Diese wurde im Jahr 2009 in ErP-Richtlinie (Energy related Products-Directive) umbenannt – im Sprachgebrauch auch Ökodesign-Richtlinie genannt.

Druckmessgerät mit Schaltkontakt, Typ PGS21

Hoher Widerstand – hoher Energieverbrauch 

Dass ein verschmutztes Filterelement dem Fluss eines Mediums einen höheren Widerstand entgegensetzt, als ein neues, sauberes Element, ist leicht nachzuvollziehen. Physikalisch steigt der Druck im Zulauf (Filtereingang) dadurch an – was sehr gut mittels eines Druckmessgerätes überwacht werden kann – und der Durchfluss reduziert sich. Da der benötigte Durchfluss vorgegeben ist, muss mehr Energie eingebracht werden, um die Drosselung im Filter auszugleichen.

Kosten eines Filterwechsels

Energetische vs. kostentechnische Überlegungen

Aus energetischer Sicht sollte bereits ein leicht verschmutzter Filter ausgetauscht werden. Dem steht entgegen, dass der Austausch Material- und Arbeitskosten erzeugt. Außerdem kann der Austausch nur drucklos und ohne Durchfluss erfolgen, weshalb die Maschine bzw. der Prozess angehalten werden muss. Auf Grundlage dieser Überlegungen ist klar, dass ein Austausch nach einer festen Einsatzzeit, so wie wir es z. B. vom jährlichen Motorservice eines PKWs kennen, keine optimale Lösung ist. 

Kompromiss: Filterüberwachung 

Der Kompromiss ist ein akzeptabler Verschmutzungsgrad, also ein festgelegter maximaler Differenzdruck über den Filter. Übliche Grenzwerte für den Differenzdruck (ΔP) eines Hydraulikfilters liegen zwischen 1 bis 5 bar. In Lüftungssystemen liegen die Grenzwerte zwischen 50 bis 5.000 Pa (0,5 bis 50 mbar). Die Überwachung des Druckabfalls spart Betriebskosten, da so der Austausch nahe am Erreichen der akzeptierten Verschmutzung des Filters erfolgt. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Filtertausch durch die kontinuierliche Überwachung, im Betriebsablauf eingeplant werden kann.

Filterüberwachung durch Messung des Druckabfalls

Gemessen wird in jedem Fall der Druckabfall über den Filter, also ΔP zwischen Filtereingang und Ausgang. Dabei steigt der Druckverlust über den Filter aber auch mit dem Volumenstrom. Die Bewertung des ΔP als Verschmutzungsindikator des Filters darf also nur bei dem definierten Betriebszustand (Durchfluss und Mediumstemperatur) erfolgen. Bei Filtern für Flüssigkeiten können Überschreitungen des ΔP-Grenzwertes durch kurzzeitige Druckspitzen auftreten. Diese sind für mechanische Schalter aufgrund der Trägheit kein Thema. Bei Sensoren empfiehlt sich, in der elektronischen Auswertung (Steuerung), eine kurze Totzeit vorzusehen.

Besonderheit: Filterüberwachung in Hydraulikkreisläufen

Eine Besonderheit bilden die Rücklauffilter in einem Hydraulikkreis. Diese sitzen – wie der Name sagt – im Rücklauf, direkt bevor das Öl zurück in den Tank fließt. Im Tank herrscht Umgebungsdruck (atmosphärischer Druck). Damit steht auch am Filterausgang Umgebungsdruck an. Dies vereinfacht die Überwachung, da nun ein Relativdrucksensor die Messaufgabe übernehmen kann. Dies wirkt sich günstig auf die Kosten der Filterüberwachung aus. Zum einen sind diese Drucksensoren preiswerter als Differenzdrucksensoren. Zum anderen erspart man sich die Druckleitung vom Filterausgang zum Niederdruckanschluss des ΔP-Sensors. In Hydraulikkreisläufen ist eine Temperaturmessung des Öls unumgänglich. Damit kann die hohe Viskosität des beim Start noch kalten Hydrauliköls berücksichtigt und so Falschmeldungen vermieden werden. Die Hydrauliköltemperatur wird zur Steuerung des Ölkühlers benötigt. Sie beeinflusst die Einsatzzeit des Öls maßgeblich.

Startviskosität, Betriebsviskosität, Differenzdruck, Öl, Betriebstemperatur

Berechnung des überhöhten Differenzdrucks aufgrund der hohen Viskosität kalten Öls


Trend in der Filterüberwachung

Drucksensor A-1200 mit IO-Link

Von „Vorbeugender Instandhaltung“, über „Industrie 4.0“, bis hin zu IIoT-Cloud-Lösungen – überall steht die Forderung nach Daten. Dies zeigt sich deutlich im Wandel von klassischen Messgeräten mit optischer Anzeige, hin zu elektrischen Sensoren mit analogem oder digitalem Ausgangssignal. Bei der Überwachung von Druckfiltern beobachten wir den Trend, den Differenzdrucksensor durch je einen Relativdrucksensor vor und nach dem Filter zu ersetzen. Damit erhält man sowohl den Systemdruck, als auch den Druck am Ausgang des Filters, was ein Differenzdrucksensor nicht bietet. Die Berechnung des Druckabfalls, die Differenzbildung beider Signale, erfolgt dann in der elektronischen Steuerung, im Edge-Computer oder in der Cloud.

Hinweis
Neben Drucksensoren zur Filterüberwachung deckt das WIKA-Portfolio alle relevanten Messgrößen ab, die für das Steuern und Regeln der Betriebszustände einer Maschine oder Anlage nötig sind. Weitere Applikationsbeispiele finden Sie auf unserer Webseite im Bereich Branchen.



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