Druckmessung

Damit Theo sicher fliegt

Damit Theo sicher fliegt

Damit Theo sicher fliegt

Damit Theo sicher fliegt

Theo ist eines der drei aktuell in Deutschland zugelassenen Luftschiffe. Er ist am Flughafen Essen/Mühlheim zuhause und regelmäßig für Gästefahrten und als Werbefläche im Einsatz. Konstruiert wurde Theo 1972 von der WDL Luftschiffgesellschaft, die ihn 2015 neu aufbaute und aktuell gerade einen neuen Hangar für ihn errichtet. Theo ist ein Prall-Luftschiff mit einer Länge von 59,5 Metern und einem Durchmesser von 15 Metern an der voluminösesten Stelle. Dieser Typ verfügt – anders als der dem Namen nach bekanntere Zeppelin – nicht über ein bespanntes Gerüst, sondern die Form ergibt sich allein aus dem Gas, mit dem die Hülle gefüllt ist. Damit der Pilot immer alle Informationen über den anliegenden Druck im Inneren des Luftschiffs hat, sind im Cockpit digitale Anzeigen des Messspezialisten Althen verbaut, die seit mehr als 30 Jahren dafür sorgen, dass Theo sicher fliegt.

Ein Prall-Luftschiff kommt gänzlich ohne Gerüst aus. Für den Flugbetrieb ergeben sich aus dieser Konstruktion allerdings ganz besondere Anforderungen an die Stabilität der Druckverhältnisse. Prall gefüllt reagiert der Flugkörper sensibel auf Ruderbewegungen und lässt sich so sehr präzise steuern. Jeder Druckverlust hingegen macht das Luftschiff schwerfälliger und das Manövrieren schwierig – und damit potenziell auch weniger sicher. Deshalb ist die oberste Priorität für den gefahrlosen Betrieb jedes Luftschiffs, den Druck im Innenraum konstant zu halten.

Damit dies funktioniert, sind im Innenraum drei Ballonetts untergebracht, kleinere Ballons, die in diesem Fall mit Luft gefüllt sind und deren Inhalt variabel ist, um die Druckschwankungen des großen Innenraums auszugleichen. In den Ballonetts herrscht immer ein Druck, der über dem äußeren Luftdruck liegt. Dadurch ist sichergestellt, dass der gesamte Körper stets prall gefüllt ist. Dieser Überdruck beträgt nur wenige Millibar, woran sich zeigt, wie wichtig im gesamten Luftschiffbetrieb eine präzise Druckmessung ist. Das Prinzip der Ballonetts stammt bereits aus dem 18. Jahrhundert, aber heutige Piloten haben es dank digitaler Anzeigen erheblich einfacher, ein Luftschiff sicher zu steuern.

Digitale Druckanzeige als redundante Ergänzung

Für jedes Luftschiff muss eine Drucküberwachung vorhanden sein. Wie diese umgesetzt wird, ist allerdings nicht im Detail vorgeschrieben. Bei Theo und bei den anderen Luftschiffen von WDL wurde zunächst ein einfaches mechanisches Zeigerinstrument (Manometer) eingesetzt.

1988 entwickelte Althen im Auftrag von WDL für Theo und die anderen Luftschiffe den Triple Press Indicator. TPI ist ein dreikanaliges System aus Differenzdruckaufnehmern und einer Anzeigeeinheit mit Grenzwertüberwachung. In der Außenhülle und in jedem der drei Ballonetts ist jeweils ein Sensor angebracht, der über ein Kabel mit dem Display verbunden ist und so den Messwert darstellen kann. Anhand dieser Anzeigen bedient der Pilot die Ventile der einzelnen Druckkammern und steuert damit das Luftschiff.

Jede Luftkammer wird mit einem Messkanal überwacht. Alle Anzeigen sind in einem kompakten Display zusammen untergebracht, sodass der Pilot auf einen Blick die Druckverhältnisse im gesamten Luftschiff im Blick hat und schnell auf Veränderungen reagieren kann. Hinzu kommt ein weiterer Messkanal als Einkanalsystem. Mit diesen beiden Geräten sind alle Drücke in den Kammern permanent unter Beobachtung.

Holger Piscator ist in der Produktentwicklung bei Althen beschäftigt und war am Triple Press Indicator beteiligt. Er hat Theo in bester Erinnerung: „Ein Luftschiff ist ja immer etwas Besonderes, jeder schaut ihm nach. Deshalb wird mir diese Entwicklung im Gedächtnis bleiben. Außerdem arbeitet das Gerät nun seit über 30 Jahren ohne Ausfall fehlerfrei. Im KfZ-Bereich hätte unsere Entwicklung schon ein H-Kennzeichen verdient.“

Damals wie heute entwickelt Althen kundenspezifisch zur Anwendung passende Sensorlösungen. „Auf dem Markt gab es seinerzeit kein System, das unsere Anforderungen erfüllen konnte“; beschreibt Hans Peter Gomolzig, vom Luftfahrtbundesamt anerkannter Accountable Manager für die Technik bei WDL, die damalige Situation. „Mit Althen haben wir einen Partner gefunden, der ein für uns passendes Dreikanalsystem entwickelt konnte.“

Die Differenzdruckaufnehmer von Althen verfügen über einen extrem kleinen Messbereich von nur 125 mm Wassersäule, das entspricht etwa 12,3 Millibar. Der statische Systemdruck bei Theo beträgt 14 bar. Dass der Messbereich verglichen mit dem Systemdruck sehr klein ist, stellt besondere Anforderungen an die eingesetzten Druckaufnehmer, die auf dem LVDT-Prinzip (LVDT = Linear Variable Differential Transformer) basieren. Dieses ist präzise und robust und wird bis heute in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Ein verschleißfrei arbeitender LVDT-Wegaufnehmer misst hierbei die Verformung einer Druckmembran. Das Aufnehmersignal wird dann elektronisch in ein industrielles Normsignal umgesetzt.

Die kleinen Druckdifferenzen, die bei Theo die Flugeigenschaften beeinflussen, sind umso schwerer zu messen, weil der umgebende Systemdruck so hoch ist. Dies zeichnet die Aufnehmer, die Althen für WDL geliefert hat, aus. In Verbindung mit der hochauflösenden Digitalanzeige ermöglicht diese Druckmessung und -anzeige im Vergleich zur zusätzlich vorhandenen mechanischen Anzeige eine deutlich präzisere manuelle Regelung der zur Steuerung nötigen Ventile des Luftschiffs. Das Messprinzip hat sich bewährt und wird heute noch angewendet. Holger Piscator: „Heute würde man ein solches System zwar mit einem Touch-Display ausstatten und controllergesteuert programmierbar realisieren, aber das Funktionsprinzip bliebe identisch.“

Weitere Einsatzgebiete für Differenzdruckmessungen

In der Industrie wird die Differenzdruckmessung häufig bei Leckagemessungen eingesetzt. Auch in den Bereichen Klimatisierung und Energiemanagement ist das Prinzip wertvoll, beispielsweise um Verschmutzungsgrade von Filtern zu messen. Die Anforderungen an die Genauigkeit sind hier zwar etwas geringer als beim Luftschiff, aber das Prinzip ist vergleichbar. Auch in Reinräumen wird Differenzdruckmessung genutzt, um zu überwachen, ob konstanter Überdruck herrscht.

Neben den kleinen Messbereichen im Millibarbereich misst Althen zum Beispiel auch Kräfte von bis zu mehreren 100 Tonnen, wie sie etwa an Schleusen- oder Hangartoren auftreten. Die Bandbreite der kundenspezifischen Lösungen ist groß, und für nahezu jede Anwendung zu Land, zu Wasser oder in der Luft findet sich aus dem breiten Portfolio die passende Messtechnik.

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