Automatisches Wägesystem zur gravimetrischen Auswertung von Probenahmefiltern bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren

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1 Automatisches Wägesystem zur gravimetrischen Auswertung von Probenahmefiltern bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren Typ AWS-3

2 Automatisches Wägesystem für die gravimetrische Auswertung von Probenahmefiltern in der Motorentechnik (Pat. angem.) Typ AWS-3 Das automatische Wägesystem AWS-3 erfasst und dokumentiert die Feststoffanteile des Abgases von Motoren welche im Abgasstrang auf Filtern mit einem Durchmesser von 47mm gesammelt wurden. Genaues vollautomatisches Wägesystem für Filter mit einem Durchmesser von 47 mm. Automatische Erfassung und Dokumentation der Feststoffanteile im Abgas von Motoren. Deutliche Entlastung der Mitarbeiter durch automatisierten Ablauf des Wägeprozesses durch stark reduzierte personelle Betreuung und Vermeidung von Fehlmessungen. Staubgeschütztes Gehäuse zur Vermeidung der Verunreinigung (Kontamination) des Systems mit Einleitung von gefilterter Außenluft: Bei integrierter Temperatur und Feuchtigkeitsregelung arbeitet das System außenluftunabhängig. Ultramikrowaage: Sartorius Wägemodul Cubis 2.7SDM (andere Wägesysteme sind auf Anfrage integrierbar). Windschutz für die Ultramikrowaage. integrierte Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung. Seite 2/8

3 Einführung in das automatische Wägesystem AWS-3 Im Zuge der Abgasmessung an Motoren muss u.a. auch die Partikelkonzentration des Abgases gemessen werden. An den Prüfständen der Motorenhersteller befindet sich im Abgasstrang der Motoren zur Bestimmung der Partikelkonzentration des Abgases ein Partikelfilterhalter, in der Probenahmefilter mit einem Durchmesser von 47mm eingelegt sind. Durch diese Vorrichtung wird das Abgas des Motors geleitet. Die auf den Filtern abgelegten Partikel können hierdurch gesammelt und der Partikelanteil anschließend gravimetrisch (durch Wägung) bestimmt werden. Das automatische Wägesystem AWS-3 wurde speziell für die Erfassung und Dokumentation der Partikelkonzentration des Abgases von Motoren entwickelt. Das Wägesystem besteht im wesentlichen aus zwei Systemeinheiten. Die erste Einheit enthält eine Klimawerkbank mit einer Wägekammer, ausgestattet mit einer Konditioniereinheit mit Steuerschrank. Die zweite Einheit ist ein Laminarflow-Arbeitsplatz zur Vermeidung des Eintrags von luftgetragenen Fremdpartikeln während der Handhabung der Filter. Die beiden Einheiten sind im Normalbetrieb nebeneinander angeordnet und über Versorgungskabel verbunden. Da sowohl die unbelasteten Filter als auch die partikelbelasteten Filter zur Bildung eines Mittelwertes in der Regel mehrere Male von Hand gewogen werden müssen, ergibt dies eine sehr große Anzahl von Wägungen. Deshalb wird das Personal durch das konzentrierte und eintönige Arbeiten allgemein stark beansprucht. Durch die Automatisierung des gesamten Wägeprozesses wird eine sehr hohe Zuverlässigkeit und Präzision beim Wiegen und bei der Dokumentation erreicht. Individuelle Fehler können damit ausgeschlossen werden. Voraussetzung für einen automatisierten Ablauf des gesamten Prozesses ist eine Kennzeichnung und damit eine Identifizierbarkeit der einzelnen Filter. Hierzu werden während des gesamten Partikelsammel- und Wägeprozesses spezielle Filterschalen verwendet, in die die Filter eingelegt werden. Die Filter und Filterschalen werden bis zum Ende des Wägeprozesses nicht mehr getrennt. Die patentierten Filterschalen sind mit RFID- Transpondern ausgestattet. Hierdurch ist eine berührungslose Identifizierung des eingebrachten Filtercodes möglich. Auch eine Auslesung von gespeicherten Prozessdaten durch ein Lesegerät kann dadurch realisiert werden. Durch die sehr hohe Kapazität des Wägesystems von 640 Filtern und einer sehr niedrigen Prozesszeit ist ein kontinuierlicher und unterbrechungsfreier Arbeitsablauf gewährleistet. Dabei werden ständig neue Filterschalen mit partikelbelasteten Filtern zugeführt und diese dann automatisch am Ende des Prozesses wieder getrennt. Filterschalen und Partikelfilterhalter Für den Transport und die Aufbewahrung der 47 mm- Probenahmefilter kommen im AWS-3 spezielle patentierte Filterschalen zum Einsatz. Die Filterschalen bestehen aus potenzialausgleichendem Polyoxymethylen (POM). Sie besitzen eine selbstzentrierende Geometrie, die das Einlegen der Filter erleichtert und die passgenaue Ablage in den Filtermagazinen sicherstellt. Jede Schale ist, wie bereits erwähnt, mit einem RFID-Transponder ausgestattet, der die Codierung und Erkennung der Filterschalen mit eingelegtem Filter durch das System ermöglicht. Außerdem verfügen die Filterschalen über einen internen Datenspeicher. Zusätzlich ist jede Schale mit einem durch Laserbeschriftung aufgebrachten, von außen lesbarem alphanumerischen Code versehen. Vor dem Sammeln der Partikel im Abgasstrang des Motors müssen die unbelasteten Filter konditioniert und gewogen werden (Leerwägung). Für die danach zu erfolgende Probenahme wird im Abgasstrang des Motors ein Partikelfilterhalter eingesetzt, in den zwei RFID-Filterschalen mit eingebrachten Filtern und entsprechende Stützsiebe mit Haltevorrichtung eingebaut sind. Nach Beendigung der Probenahme werden die Filterschalen mit den eingelegten Filtern aus dem Partikelfilterhalter entnommen. Dieser Arbeitsgang erfolgt im Arbeitsbereich des zum Wägesystem gehörenden Laminararbeitsplatzes. Danach werden die Filterschalen mit den Filtern der Wägekammer mit Hilfe einer Übergabeschleuse zugeführt. Dies ist notwendig, um eine Beeinträchtigung der Wägeergebnisse durch Kontaminationen zu verhindern. Filterschale Schnittbild Filterschale mit RFID -Transponder Seite 3/8

4 Klimawerkbank Die Klimawerkbank besteht aus der Konditioniereinheit mit HEPA-Filter, einem Ionisationssystem, dem Steuerschrank und der Wägekammer. Alle Einheiten sind in einem staubgeschützten Gehäuse untergebracht. Im vorderen Teil der Klimawerkbank befinden sich vier Filtermagazine, bestehend aus Drehgestellen und Magazintürmen mit insgesamt 640 Fächern. Im hinteren Teil der Kammer ist das Dreiachs- Handlingsystem installiert. Mittig befindet sich der Aufstellbereich für die Ultramikrowaage. Rechts in dem Gehäuse ist die Schleuse zur Einbringung und Entnahme der Filter verbaut und auf der linken Seite befindet sich die Filterschalen-Ausgabe. Konditioniereinheit Die Konditioniereinheit des AWS-3 stellt sicher, dass die notwendigen klimatischen Bedingungen hinsichtlich Temperatur und Luftfeuchtigkeit bei der Konditionierung und gravimetrischen Auswertung der Feinstaubfilter eingehalten werden. Die Einheit umfasst die Funktionen Heizen, Kühlen, Befeuchten und Entfeuchten. Zudem erzeugt sie eine turbulenzarme Verdrängungsströmung innerhalb der Wägekammer, wodurch eine Verunreinigung durch Partikel der Umgebungsluft verhindert wird. Filtermagazine Die 4 Filtermagazine dienen der Aufnahme der zu wiegenden Filter. Die Magazine bestehen aus je einem Drehteller mit Polymer-Rundtisch-Gleitlager und einem Magazinturm. Jeder Magazinturm ist aus 20 Filterscheiben zusammengesetzt. Jede Scheibe kann 8 Filterschalen aufnehmen. Die Gesamtkapazität der 4 Magazine beträgt somit 640 Filter. Die Filterschalen werden vom Handlingsystem automatisch in die Magazine eingelegt und wieder entnommen. Wenn nötig können die Magazintürme einzeln aus den Drehgestellen gehoben werden. Die Drehteller der Magazine werden von bürstenlosen Servomotoren angetrieben und verfügen über ein Präzisions-Winkelgetriebe, das die präzise Positionierung der Magazine relativ zum Transportarm sicherstellt. Ionisationssystem Weiterhin verfügt das AWS-3 über ein wartungsfreies Ionisationssystem, das elektrostatische Aufladungen der Filter neutralisiert und somit die Wägegenauigkeit erhöht. Das System besteht aus zwei Hochspannungs-Ionisationsstäben, die im Bereich der Waage angebracht sind. Die Anordnung der Stäbe stellt hierbei sicher, dass eventuelle Ladungen auf dem Wägegut zuverlässig beidseitig abgebaut werden. Außerdem ist in der Klimawerkbank die Einrichtung zur berührungslosen Identifizierung und zum Auslesen der gespeicherten Prozessdaten untergebracht. Laminarflow-Arbeitsplatz Der Laminarflow-Arbeitsplatz stellt eine kontaminationsmindernde Arbeitsumgebung für den Umgang mit Feinstaubfiltern zur Verfügung. Hier werden die Filter für Wägung und Probenahme vorbereitet, sowie der Wägekammer zugeführt und entnommen. Zudem sind hier der PC zur Systembedienung und der dazu gehörige Monitor installiert. Der PC besitzt zwei LAN- Anschlüsse für die Verbindungen zur Klimawerkbank und zum lokalen Netzwerk des Benutzers und dessen Datenbank. Auf ihm ist auch die Software installiert, über die das AWS-3 im Normalfall bedient wird. Filtermagazinturm Seite 4/8

5 Handlingsystem Das Dreiachs-Handlingsystem des AWS-3 sorgt für den automatischen Transport von Feinstaubfiltern, Referenzfiltern und Referenzgewichten innerhalb des Systems. Die Transportgabel des Handlingsystems nimmt hierbei jeweils eine Filterschale an der programmierten Startposition auf und legt sie an der Zielposition wieder ab. Die Linearachs-Robotik arbeitet mit bürstenlosen Gleichstrom-Servomotoren und einem gekapselten Getriebe. Alle verwendeten Kabel und Energieketten sind reinraumgeeignet. Das Handlingsystem verfügt über eine RFID-Antenne zur Erkennung der Codes von Filtern bzw. Filterschalen und zum Datenaustausch. Das Handlingsystem ist mit einer oberhalb der Transportgabel montierten Kamera ausgestattet. Die Bilder der Kamera werden vom System hinsichtlich unerwartet belegter Positionen der Filtermagazine bzw. der Übergabeschleuse ausgewertet. Hierdurch werden Kollisionen und entsprechende Sachschäden verhindert, die aus der Ablage von Filtern an bereits belegten Positionen resultieren könnten. Die Gabel des Transportarms besteht aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff. Im normalen Betrieb wird der Transportarm über eine Software automatisch gesteuert. Bei Bedarf kann jedoch auch, wenn nötig, mittels Jog-Dial gesteuert werden. Ultramikrowaage Als Waage wird eine hochpräzise Ultramikrowaage mit Datenausgang z.b. das Wägemodul Sartorius Cubis 2.7SDM verwendet. Andere Modelle sind auf Wunsch integrierbar. Das Sartorius Wägemodul besitzt einen Wägebereich von 2,1 g und eine Ablesbarkeit von 0,0001 mg. Zudem verfügt es über einen integrierten motorbetriebenen Windschutz, der sich vor jedem Wägevorgang automatisch schließt, um eventuelle Beeinflussungen der Wägung auszuschließen. Das Wägemodul ist in der Mitte der AWS-Wägekammer aufgestellt. Um Erschütterungen zu minimieren, ist der Aufstellbereich der Waage über einen Granitblock vom übrigen System schwingungsentkoppelt. Wägemodul Sartorius Cubis Seite 5/8

6 Übergabeschleuse Die Übergabeschleuse des AWS-3 stellt sicher, dass die Probenahmefilter dem System einfach und ohne Verunreinigung der Wägekammer zugeführt und entnommen werden können. Hierzu werden die Filter mit Filterschale in einen herausnehmbaren Schlitteneinsatz (Kapazität vier Filter) eingelegt, das wiederum in den Schlitten der Schleuse eingesetzt wird. Der Schlitten wird dann manuell in die Wägekammer eingeführt, wo die Filter vom Handlingsystem aufgenommen und zu den Filtermagazinen transportiert werden. Die Filterausgabe erfolgt dann in der umgekehrten Reihenfolge. Der Schlitten der Schleuse ist mit einer reinraumgeeigneten Linearführung mit Festanschlägen ausgestattet. Magnetarretierungen und eine Positionsüberprüfung mittels Näherungssensor stellen die korrekte Positionierung des Schlittens nach dem Einschub sicher. Da die Schleuse mit einem Fenster ausgestattet ist, kann der Zustand von Schleuse und Schlitten zudem visuell kontrolliert werden. Sammeleinheit für die Trennung von Filterschalen und Probenahmefilter Die Sammeleinheit ermöglicht die einfache Entsorgung belegter und gewogener Probenahmefilter bei gleichzeitiger Sammlung der freigewordenen Filterschalen. Dazu werden die verbrauchten Filter einschließlich Filterhalter vom Handlingsystem auf einer Rutsche abgelegt, von der sie aus der Wägekammer hinausbefördert werden. Von der Rutsche fallen sie dann auf ein helixförmig gebogenes Rohr. Dieses Rohr funktioniert als Trennvorrichtung, indem die Filterschalen auf das Rohr aufgefädelt werden während die Filter von der Rohrspitze zurückgehalten werden. Die Filter fallen dann auf den Boden eines am Rand des Haltewinkels befestigten Kunststoffbeutels und können anschließend entsorgt werden. Die Filterschalen folgen dem Gefälle des Rohrs und sammeln sich an dessen unterem Ende an, wo sie zur Wiederverwendung entnommen werden können. Seite 6/8

7 Technische Daten Automatisches Wägesystem Typ AWS-3 Filtermagazin Anzahl Magazintürme zur Filteraufnahme: 4 Anzahl Magazinscheiben pro Turm: 20 Anzahl Filterpositionen pro Magazinscheibe: 8 Anzahl Filter pro Magazinturm: 160 Gesamtkapazität der 4 Magazintürme: Material der Magazinscheiben: Potentialausgleich: Antrieb der Magazine: Positionierung der Magazine: 640 Filter 2 mm glasfaserverstärktes doppelt kaschiertes Epoxidharz mit vergoldeten Ablageflächen für die Filterschalen Durch Vergoldung und spezieller Konstruktion aller Kontaktstellen zwischen Magazintürmen, Filterscheiben und Filterschalen Bürstenloser Gleichstrom-Servomotor Durch Präzisionswinkelgetriebe Filter Filtermaterial: Filterdurchmesser: Mindestgewicht: Codierung der Filter: Decodierung: Waage (optional) Hersteller: Ablesbarkeit (Auflösung): Wägebereich: Waagenaufstellung: Kalibriergewichte für das Wägesystems: Elektronik Kommunikationsschnittstelle: Datenexport (CSV Datei): (andere Formate auf Kundenwunsch) Hilfsenergie Spannungsversorgung: Leistungsbedarf: Abmessungen und Gewicht des Systemtisches Breite: Tiefe: Arbeitshöhe: Höhe gesamt: Gesamtgewicht: Klimakonditionierung Temperaturregelung: Luftbefeuchtungsanlage: Umgebungsbedingungen: Alle marktüblichen Filtertypen 47 mm 60 mg Durch RFID-Transponder in den Filterschalen Durch RFID-Antenne im Handlingsystem Sartorius Wägemodul Cubis 2.7SDM (andere Wägesysysteme sind auf Anfrage integrierbar) abhängig vom Waagentyp z.b. 0,0001 mg 2,1 g Granitblock mit großer Masse, vom Systemtisch entkoppelt 100 mg, 200 mg Nennwert (DKD zertifiziert) Messunsicherheit entspricht Klasse E2 (OIML) Ethernet RJ45 Ermitteltes Filtergewicht unbeladen (Mittelwert) Ermitteltes Filtergewicht beladen (Mittelwert) Ermittelte Differenz der Filtergewichte (Mittelwerte) Temperatur, rel. Feuchte, Luftdruck Filternummer Sammlernummer Datum / Uhrzeit Anzahl Wägungen pro Filter 230 V, 50 Hz 250 VA mm 800 mm 830 mm mm ca. 800kg Klimaaggregat (Heizen und Kühlen) durch Wasser (ext. Kompressor) Elektroden-Dampfbefeuchter C, % rel. Luftfeuchtigkeit Die Informationen entsprechen dem aktuellen Wissensstand. behält sich technische Änderungen vor. Die Haftung für Folgeschäden aus der Anwendung von Produkten der Fa. ist ausgeschlossen. Seite 7/8

8 Abmessungen Automatisches Wägesystem AWS-3 Maße in mm wurde ursprünglich im Jahr 1972 als Ingenieurbüro in Berlin gegründet. Gegenstand des Unternehmens war die Entwicklung, Herstellung, Beratung und Verkauf von Produkten aus den Bereichen Mess- und Regeltechnik und Gasanalyse. Das Ingenieurbüro hat sich im Laufe der Zeit auf dem Gebiet des Umweltschutzes auf die Entwicklung und Fertigung von Geräten für die Erfassung von Feinstaub und Gasen in der Umgebungsluft konzentriert wurde die Firma COMDE GmbH gegründet, welche sich auf die Entwicklung und Fertigung von Geräten und Anlagen für die Messung und Überwachung von Druck-, Hochtemperaturdruck und Gasdichte in Hochspannungsschaltern (SF6) spezialisiert hat. Im Jahr 2012 fusionierten beide Firmen zur Comde- Derenda GmbH. Im Jahr 2007 wurde in Stahnsdorf bei Berlin ein eigenes Betriebsgebäude errichtet, in dem alle heute existierenden Geschäftsfelder untergebracht sind. ist zertifiziert nach DIN EN ISO 9001:2008. in Stahnsdorf bei Berlin Neben den Standardprodukten wird eine große Anzahl von Sonderausführungen hergestellt. Sollten Sie Bedarf an einer speziellen Applikation oder einer Sonderausführung haben, freuen wir uns über Ihre Anfrage. Ed. 04/15, Seite 8/8