Theo ist der Name eines sogenannten Prall-Luftschiffes. Die Form des Luftschiffes ergibt sich allein aus dem Gas, mit dem die Hülle gefüllt ist. Da der Druck im Inneren essenziell für dessen Steuerung ist, liefern digitale Druckanzeigen den Piloten stets alle Informationen. 

Theo ist eines der drei aktuell in Deutschland zugelassenen Luftschiffe. Es ist am Flughafen Essen/Mühlheim zuhause und regelmäßig für Gästefahrten und als Werbefläche im Einsatz. Konstruiert wurde es 1972 von der WDL Luftschiffgesellschaft, die ihn 2015 neu aufbaute. Theo ist ein Prall-Luftschiff mit einer Länge von 59,5 Metern und einem Durchmesser von 15 Metern. Dieser Typ verfügt nicht wie bei einem Zeppelin über ein bespanntes Gerüst, bei Theo ergibt sich die Form allein aus dem Gas, mit dem die Hülle gefüllt ist. Damit stets alle Informationen über den anliegenden Druck im Inneren des Luftschiffs für den Piloten verfügbar sind, sind im Cockpit digitale Anzeigen von Althen verbaut.

Ein Prall-Luftschiff kommt ohne Gerüst aus. Für den Flugbetrieb ergeben sich aus dieser Konstruktion allerdings besondere Anforderungen an die Stabilität der Druckverhältnisse. Prall gefüllt reagiert der Flugkörper sensibel auf Ruderbewegungen und lässt sich so präzise steuern. Jeder Druckverlust hingegen macht das Luftschiff schwerfälliger und das Manövrieren schwierig – und damit potenziell auch weniger sicher. Deshalb hat das Konstant-Halten des Drucks im Innenraum oberste Priorität für den gefahrlosen Betrieb jedes Luftschiffs. 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 durch digitale Anzeigen 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 Display zusammen untergebracht, sodass der Pilot auf einen Blick die Druckverhältnisse im gesamten Luftschiff im Blick hat und auf Veränderungen reagieren kann. Hinzu kommt ein weiterer Messkanal als Einkanalsystem. Mit diesen beiden Geräten sind alle Drücke in den Kammern permanent unter Beobachtung. 

Seit 30 Jahren: fehlerfrei und bewährtes Funktionsprinzip  

Holger Piscator ist in der Produktentwicklung bei Althen beschäftigt und war am Triple Press Indicator beteiligt. „Ein Luftschiff ist ja immer etwas Besonderes, jeder schaut ihm nach. Deshalb wird mir diese Entwicklung im Gedächtnis bleiben. Zudem 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 Messbereich von 125 Millimeter 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 ver­sc hleißfrei 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. „Heute würde man ein solches System zwar mit einem Touch-Display ausstatten und controllergesteuert programmierbar realisieren, aber das Funktionsprinzip bliebe identisch“, so Holger Piscator.  

Einsatzgebiete für Differenz­druckmessungen

In der Industrie wird die Differenzdruckmessung häufig bei Leckagemessungen eingesetzt. In den Bereichen Klimatisierung und Energiemanagement werden unter anderem Verschmutzungsgrade von Filtern gemessen. 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.

Autor
Michaela Wassenberg, Freie Journalistin