Vom Durchfluss zum Durchbruch
Wie misst man zuverlässig, wenn Gas und Flüssigkeit gemeinsam durch dieselbe Leitung strömen? Diese Frage stellten sich Forschende bereits zur Gründungszeit der FHNW vor 20 Jahren. Die Antwort führte zu Patenten, einem weltweit eingesetzten Messgerät und einer Erfolgsgeschichte mit Endress+Hauser Flow.
Dampf ist nicht immer gleich Dampf. Kühlt er in Leitungen ab oder gelangt Wasser ins System, entsteht sogenannter Nassdampf. Die Folgen können gravierend sein: Bereits bei einer Dampftrockenheit von 90 Prozent steigt der Messfehler in der Leitung auf über 5 Prozent. Gleichzeitig sinkt die Effizienz der Energieübertragung, während das Risiko von Korrosion oder gefährlichen Wasser- und Dampfschlägen zunimmt. Für Unternehmen können solche Abweichungen teuer werden.
Die gleichzeitige Messung von Dampfmenge und Dampfqualität ist deshalb entscheidend für deren Wirtschaftlichkeit, Prozesssicherheit und letztlich für deren Wettbewerbsvorteile. Genau diese Herausforderung nahmen Forschende der FHNW vor 20 Jahren in Angriff. Eine Forschungsreise, deren Wirkung bis heute anhält.
Der Mann hinter dem Projekt
Einer, der diese Geschichte von Anfang an begleitet hat, ist Christoph Gossweiler. Der langjährige Professor für Thermodynamik und Fluidmechanik und spätere Studiengangleiter Energie- und Umwelttechnik war massgeblich an den Projekten beteiligt, in denen die FHNW gemeinsam mit Endress+Hauser Flow neue Wege in der Nassdampfmessung beschritten. Endress+Hauser Flow mit Sitz in Reinach zählt weltweit zu den führenden Unternehmen für die Messung von Medienflüssen in Rohrleitungssystemen. Die Messsysteme kommen unter anderem in Wasserversorgungen, Kraftwerken sowie industriellen und chemischen Prozessen zum Einsatz.
Für Christoph Gossweiler war früh klar, welches Potenzial in den Projekten steckt: «Es ist nicht üblich, dass man für eine Projektidee so viel Geld bekommt.» Die millionenschwere Förderung sei Ausdruck der grossen wirtschaftlichen Relevanz für die Schweizer Industrie gewesen. Gleichzeitig habe Endress+Hauser Flow selbst erheblich investiert. So entstand eine über 15 Jahre dauernde Zusammenarbeit, die Forschung und industrielle Anwendung eng miteinander verband. Sie brachte Patente, wissenschaftliche Erkenntnisse, ein weltweit eingesetztes Messgerät mit integrierter ASIC-Messtechnik (Anm. der Red.: mit speziell entwickelten Mikrochips) und eine neue Generation von Fachkräften hervor, die heute in Forschung und Industrie tätig sind.
«Unsere Arbeit zeigt, wie die FHNW ihr Fachwissen bündelt und gemeinsam mit Industriepartnern erfolgreiche Lösungen entwickelt.»Christoph Gossweiler, emeritierter Professor für Thermodynamik und Fluidmechanik
Der Anfang einer langen Reise
2006, im Gründungsjahr der FHNW, reichten Forschende gemeinsam mit Endress+Hauser Flow ein Projekt ein. Es sollte eine Herausforderung lösen, an der die Industrie seit Jahren arbeitete: die präzise Messung von Zweiphasenströmungen – also das Messen des Durchflusses von Gas und Flüssigkeit in derselben Leitung.
Vom Labor in die Industrie
Im Zentrum der Projekte stand die sogenannte Nassdampfmessung. «Sie ist dort relevant, wo Dampf als Energieträger eingesetzt wird – etwa in industriellen Prozessen, bei der Sterilisation von Lebensmitteln oder in der Pharmaindustrie. Dort kann kondensierter Dampf zu Messfehlern des Dampfmassenstroms führen», erklärt Marc Hollmach, Experte für Strömungsmechanik bei Endress+Hauser Flow. Für Unternehmen bedeutet dies Unsicherheit beim Energieverbrauch, in der Prozessführung und bei der Abrechnung.
Die Forschungsergebnisse flossen schliesslich in das Produkt Proline Prowirl F 200 ein. «Unser Durchflussmessgerät mit Inline-Nassdampfmessung hat unserem Unternehmen einen technologischen Vorsprung verschafft», weiss Marc Hollmach.
«Unser Durchhaltewille hat sich ausgezahlt. Aus einer Forschungsidee wurde ein patentiertes Verfahren mit weltweiter praktischer Relevanz.»Marc Hollmach, Experte für Strömungsmechanik bei Endress+Hauser Flow
Gemeinsam zum Erfolg
Dirk Sütterlin, Head of Measurement Technology, Endress+Hauser Flow, bestätigt: «Durch die langjährige enge Partnerschaft, die Expertise der wissenschaftlichen Mitarbeitenden in angewandter Forschung und Entwicklung und die räumliche Nähe ist das Institut für Sensorik und Elektronik für Endress+Hauser Flow ein hundertprozentiger Match. Wir können gemeinsam und mit Stolz auf eine ASIC-Entwicklung zurückblicken, die heute und in Zukunft sichere, robuste und effiziente Prozessüberwachung auch in schwierigsten Applikationen ermöglicht und damit einen echten Mehrwert für unsere Kundschaft liefert.»
«Das Institut für Sensorik und Elektronik der FHNW und Endress+Hauser Flow sind ein hundertprozentiger Match»Dirk Sütterlin, Head of Measurement Technology bei Endress+Hauser Flow
Der «hundertprozentige Match» gilt allerdings in beide Richtungen. Prof. Dr. Hanspeter Schmid vom Institut für Sensorik und Elektronik FHNW, der das ASIC-Projekt seit den Anfängen begleitet, erinnert sich an eine Zusammenarbeit, die von Vertrauen, Offenheit und viel technischer Neugier geprägt war. «Wir haben uns gegenseitig fachlich gefordert und gleichzeitig immer am selben Ziel gearbeitet», sagt er. Das Resultat ist eine Entwicklung, die sich bis heute bewährt.
Forschung braucht langen Atem
Mit dem Projekt «BubbleCounter» startet die Zusammenarbeit zwischen der FHNW und Endress+Hauser Flow. Fördergelder der Kommission für Technologie und Innovation (KTI, Vorgänger von Innosuisse) werden zugesprochen. Ziel ist es, Zweiphasenströmungen präzise zu messen.
Die ersten Zweiphasenströmungsprüfstände für Luft-Wasser-Versuche werden aufgebaut und das Verhalten der Vortex-Durchflussgeräte in einer Zweiphasenströmung wird untersucht. Parallel dazu führen die Forschenden aufwendige Strömungssimulationen durch. Die Erkenntnisse bilden die Grundlage für ein Messverfahren, das später in ein Industrieprodukt überführt wird.
Mit «TopVox» folgt das nächste grosse Projekt. Auf dem Areal Königsfelden entstehen Prüfstände für Nassdampfströmungen. Das nahegelegene Wäschehaus der psychiatrischen Klinik in Königsfelden bietet ideale Voraussetzungen. Die FHNW und Endress+Hauser Flow schaffen mit der Caliqua AG die Grundlage für die Forschung in Zweiphasenströmungen. Parallel prüft eine Machbarkeitsstudie die Integration der Sensorelektronik.
Mitarbeitende des Instituts für Mikroelektronik (IME, heute ISE) entwickeln mit Endress+Hauser Flow ein erstes ASIC- Funktionsmuster. Es weist die Machbarkeit der Integration nach und erfasst extrem kleine elektrische Signale des Vortex-Sensors. Das Fördervolumen wächst. Endress+Hauser Flow investiert erheblich in die Weiterentwicklung des Verfahrens und vergibt den Auftrag für ein serienreifes ASIC für Vortex-Durchflussmessgeräte ans IME. Das Produkt Prowirl 200, mit dem ASIC als wesentlicher Bestandteil des Messverstärkers, wird 2013 erfolgreich in den Markt eingeführt.
Die Tests auf den Nassdampfprüfständen sind ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung der Vortex-Massendurchflussmessgeräte. Daraus entsteht ein Messgerät, das alle Dampfzustände zuverlässig misst und zusätzlich Dampfqualität sowie Überhitzungsgrad bestimmt. Durch die Schulungen am Prüfstand vermittelt Endress+Hauser Flow sein Know-how zur Durchflussmessung von Dampf und Nassdampf erfolgreich an seine Kundschaft und Mitarbeitende.
2017 startet ein weiteres Innosuisse-Projekt: Eine mit mehreren Sensoren vernetzte Signalverarbeitung und eine gemeinsame Integration des Messverstärkers in einen Mikrochip für Coriolis- und Vortex-Durchflussmessgeräte erhöhen Sicherheit, Robustheit und Effizienz in unterschiedlichsten Prozesssituationen. Die Forschungsergebnisse fliessen direkt in die Produkte ein und festigen die Marktführerschaft von Endress+Hauser Flow im Bereich Wirbeldurchflussmessung und Dampfanwendungen.
Aufbauend auf den Erkenntnissen des Innosuisse-Projekts entwickelt das ISE ein weiteres ASIC für Vortex-, MID- und Coriolis-Durchflussmessgeräte. Nach vier Jahren Entwicklungszeit erreicht die Plattform Serienreife. Ende 2026 folgt die Markteinführung des ersten Produkts.
Auch das Institut für Thermo- und Fluidengineering (ITFE) hat massgeblich dazu beigetragen, dass wir heute hier stehen. Seine Entwicklungsarbeit bildete die Basis für das Produkt.
Die Forschungsprojekte zwischen der FHNW und Endress+Hauser sind ein Beispiel dafür, wie angewandte Forschung zwischen Hochschule und Industrie Wertschöpfung am Standort Schweiz erzeugt.
Eine Wirkung, die bis heute anhält
Aus der angewandten Forschung sind am Ende marktfähige Produkte entstanden. Endress+Hauser Flow meldet mehrere Patente an, in denen als Erfinder Forschende der FHNW genannt werden. Doch die Erfolgsgeschichte endet nicht mit den Produkten. Gleichzeitig entstehen wissenschaftliche Publikationen und zahlreiche Studierende arbeiten im Verlauf der Jahre an über ein Dutzend Projekt-, Bachelor- und Masterarbeiten zum Thema mit. Einige von ihnen finden später den Weg zu Endress+Hauser Flow – darunter auch Marc Hollmach. Damit wurde aus dem Projekt nicht nur ein Beispiel für einen erfolgreichen Technologietransfer, sondern auch für Wissenstransfer über Generationen hinweg.
Wie funktioniert die Messung der Dampfqualität mit dem Prowirl 200? Einfach erklärt im Video:
