Wo extrem raues Klima herrscht, sind robuste Geräte erst richtig in ihrem Element. So wie die vorgestellten kapazitiven Drehwinkelmessum- former, die beispielsweise in Wasserkraftwerken oder Baggerschiffen im Einsatz sind.
Das elektronische Messen und die Fernübertragung mechanischer Größen hat im Maschinen- und Gerätebau hohe Bedeutung. Seit Jahren werden hier mechanische Bewegungsvorgänge in elektrische Signale umgewandelt, in Leitstellen angezeigt und registriert. Dabei steht das Automatisieren von Überwachungsaufgaben oft im Mittelpunkt. Zum Erfassen von Drehwinkeln und Längsbewegungen lassen sich Drehwinkelmessumformer einsetzen.
Mechanisch robust sind die Drehwinkelmessumformer der Baureihe „Kinax“ von Camille Bauer für raue Umgebungen geeignet. Das kapazitive Abtastsystem bewährt sich seit Jahren zum Beispiel in Schiffen, Biogas-Anlagen und Turbinen. Die Hauptvorteile des Messprinzips liegen in seiner Unempfindlichkeit gegenüber großen Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, Schmutz, Schock und Vibration.
Einsatz im Wasserkraftwerk
So viele unterschiedliche Typen von Wasserkraftwerken es auch gibt – ihre Funktionsweise ist immer gleich, ihr Aufbau im Prinzip auch: Sie bestehen im Allgemeinen aus einem Stauwehr oder einer Talsperre, die das Wasser unmittelbar vor dem Kraftwerk oder in einem höher gelegenen Speicherbecken oder -see aufstauen. Von hier aus gelangt das Wasser über ein Einlaufwerk in die Zuleitung beziehungsweise das Leitwerk. Die Lage- oder Bewegungsenergie treibt eine Turbine an, die mit einem Generator verbunden ist. Dieser wandelt die mechanische Energie in Strom um. Moderne Turbinen erreichen Wirkungsgrade bis 95 %. Sie sind also in der Lage, fast die gesamte „Wasserkraft“ in mechanische Energie umzuwandeln. Die verschiedenen Turbinentypen sind dabei ganz auf die unterschiedlichen Durchflussmengen und Fallhöhen des Wassers abgestimmt.
Ausrichtung der Turbinendüse erfassen
Die Pelton-Turbine, auch als Freistrahlturbine bezeichnet, nutzt ausschließlich die Bewegungsenergie des Wassers mit Fallhöhen bis 2000 m und Leistungen bis 300 MW. Das Wasser wird durch eine oder mehrere Düsen auf die becherförmigen Schaufeln eines Laufrads geleitet. Der Kinax-Drehwinkelmessumformer erfasst die Ausrichtung der Düse, deren Position dann ölhydraulisch oder elektrisch entsprechend verstellt werden kann.
Da es erforderlich sein kann, dass die Turbine rasch wesentlich weniger Leistung abgibt, befindet sich zwischen Düse und Laufrad ein Strahlablenker, der sich umgehend in den vollen Düsenstrahl einschwenken lässt. Er lenkt den Wasserstrahl vor dem Laufrad ab und vernichtet damit die Antriebskraft. Auch der Winkel des Strahlablenkers wird von Kinax-Geräten erfasst.
Laufraddrehzahl stets konstant
Die Francis-Turbine weist eine radiale bis halbaxiale Zuströmung aus einer Einlaufspirale und eine axiale Abströmung auf. Dieser Turbinentyp eignet sich für Fallhöhen bis zirka 500 m. Seine Regelung erfolgt über Leit- schaufeln, die verdrehbar im Einlauf angeordnet sind. Der Winkel der Schaufeln kann mit einem Kinax WT707 gemessen werden. Auf Basis dieser Messungen verändern Prozessrechner den Vordrall so, dass die Laufraddrehzahl unabhängig von der Leistungsaufnahme des Generators stets konstant bleibt.
Die Kaplan-Turbine eignet sich für Fallhöhen bis 80 m und große Wasserströme. Ihre Laufschaufeln ähneln einem Schiffspropeller. Die Verstellbarkeit von Leit- und Laufschaufeln sorgt für eine günstige Regelcharakteristik und ein vorteilhaftes Teillastverhalten. Die Stellung von Leit- und Laufschaufeln wird ebenfalls mit Hilfe von Kinax-Drehwinkelsensoren WT707 gemessen und von Prozessrechnern eingestellt, damit der optimale Wirkungsgrad bei konstanter Drehzahl lastunabhängig erreicht wird.
Niveauüberwachung von Biogas-Anlagen
Ein Kinax WT707 überwacht auf dem Dach einer Biogas-Anlage auch den Füllstand des Gastanks. Diese Fernüberwachung kann durch das Strom-Ausgangssignal leicht in aktuelle Prozessdaten eingebunden werden. Das schafft die Möglichkeit, Probleme und Schwachstellen im Anlagenbetrieb frühzeitig zu erkennen und anzuzeigen, um unverzüglich einen Regeleingriff vornehmen zu können. Abschaltkriterien sind beispielsweise das Unter- oder Überschreiten des minimal oder maximal zulässigen Füllstands des Tanks. Gerade beim Umgang mit Gas ist es wichtig, zugelassene, explosionsgeschützte Geräte einzusetzen. Funken und elektrostatische Aufladungen sowie andere Zündquellen – auch mechanische – müssen in explosionsgefährdeten Umgebungen unter allen Umständen verhindert werden. Deshalb ist der Kinax-Messumformer in der Zündschutzart „Eigensicherheit“ ausgeführt und kann damit in Zone 1 explosionsgefährdeter Bereichen eingesetzt werden.
Regulierung im Schiffsverkehr
Auch auf der „HAM316“, einem Baggerschiff des holländischen Unternehmens Hollandse Aannemings Maatschappij, Sliedrecht, kommen Kinax-Messumformer zum Einsatz. Sie ermitteln die Stellung des Ruders, um der Brücke zu signalisieren, wie das Ruder ausgerichtet ist und welcher Kurs anliegt. Weitere wichtige Größe ist der Vortrieb. Um ihn zu steuern, werden Verstellpropeller verwendet – ähnlich wie bei den Kaplan-Turbinen. Die Steigung der Laufschaufeln wird verändert, um damit die Leistung optimal zu regulieren.
Bei anderen Schifftypen werden so genannte „Thruster“ für den Vortrieb und die Steuerung eingesetzt. Bei diesen Bugstrahlrudern handelt es sich um einen rohrförmigen Durchgang durch die gesamte Schiffsbreite im vorderen Zehntel eines Schiffes. Quer eingesetzt in dieses Rohr ist eine Propelleranlage, die es ermöglicht, den Bug des Schiffs nach Back- oder Steuerbord zu bewegen. Sowohl bei der Schraube als auch beim Thruster werden zur Steuerung die Stellungen der Propellerflügel mit Kinax-Winkel-Messumformern gemessen. Weil auf die Schiffsschraube große Kräfte einwirken und die Welle stark belastet wird, muss für diese Aufgabe eine starke Messlösung gewählt werden. Der WT707, der im Wellentunnel montiert wird, ist dafür bestens geeignet.
Drehwinkelmessumformer Kinax KEM 494
Camille Bauer Portfolio allg. KEM 495
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