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Wasserstoff-Drucksensor auswählen: Werkstoffe, Dichtungen und Zulassungen richtig bewerten

Veröffentlicht am von Lukas Achtelik
Wasserstoff Drucksensor in einer industriellen Hochdruck Prüfanlage
→ Produktkategorie: H² Drucksensoren

 

Wasserstoff wird in Elektrolyseanlagen, Verdichtern, Speichern, Brennstoffzellensystemen, Prüfständen, Rohrnetzen und Betankungsanlagen bei sehr unterschiedlichen Drücken eingesetzt. Je nach Anwendung reicht der Messbereich von wenigen Millibar bis zu mehreren hundert oder sogar 1.000 bar.

Ein Drucksensor für Wasserstoff darf jedoch nicht allein anhand des Druckbereichs ausgewählt werden. Wasserstoff besitzt eine sehr geringe Molekülgröße, kann durch bestimmte Werkstoffe und Dichtungen diffundieren und unter ungünstigen Bedingungen die mechanischen Eigenschaften metallischer Bauteile beeinflussen. Bei hohen Drücken, schnellen Lastwechseln und vielen Druckzyklen werden diese Anforderungen zusätzlich verschärft.

Entscheidend ist deshalb die vollständige medienberührte Konstruktion. Dazu gehören Messmembran, Druckanschluss, Schweißnähte, Füllflüssigkeiten, Dichtungen und mögliche Beschichtungen. Die allgemeine Angabe „Edelstahl“ reicht nicht aus, weil unterschiedliche Edelstahlsorten, Wärmebehandlungen und Bauteilgeometrien ein unterschiedliches Verhalten gegenüber Wasserstoff besitzen können.

Auch Zulassungen müssen richtig eingeordnet werden. Eine ATEX-Zulassung bestätigt, dass eine bestimmte Geräteausführung für eine definierte explosionsgefährdete Atmosphäre geeignet ist. Sie ist jedoch kein allgemeiner Nachweis dafür, dass alle medienberührten Bauteile für Wasserstoff unter dem vorhandenen Druck, der Temperatur und der erwarteten Zahl an Druckzyklen geeignet sind.

Umgekehrt benötigt nicht jede Wasserstoff-Druckmessstelle automatisch einen ATEX-Sensor. Entscheidend sind die Zoneneinteilung, die mögliche Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre, das Schutzkonzept der Anlage und die Anforderungen des Betreibers.

Dieser Beitrag erklärt, wie sich ein Wasserstoff-Drucksensor technisch auswählen lässt, welche Bedeutung Membranwerkstoffe, Dichtungen, Druckanschlüsse und Leckageraten besitzen und wie ATEX, UN R134, ehemalige EC79-Freigaben, SIL und elektrische Ausgangssignale voneinander abzugrenzen sind.

Inhaltsverzeichnis

Warum Wasserstoff besondere Anforderungen an Drucksensoren stellt

Ein allgemeiner Industriedrucksensor kann für Luft, Wasser, Hydrauliköl oder viele technische Gase geeignet sein, ohne automatisch für Wasserstoff freigegeben zu sein. Der Grund liegt nicht nur in der Brennbarkeit des Mediums, sondern auch in seinem Verhalten gegenüber metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen.

Wasserstoff kann in Werkstoffe eindringen und sich innerhalb ihrer Mikrostruktur bewegen. Abhängig von Werkstoff, Druck, Temperatur, mechanischer Spannung und Belastungsdauer können sich dadurch Festigkeit, Duktilität und Ermüdungsverhalten verändern.

Darüber hinaus kann Wasserstoff durch Elastomere, Kunststoffe und bestimmte metallische Membranen permeieren. Bei einem Drucksensor kann dies zu schleichenden Leckagen, Blasenbildung, Nullpunktverschiebung oder einer Beeinflussung der internen Messzelle führen.

Die kleine Molekülgröße macht außerdem jede Trennstelle relevant. Gewinde, Dichtungen, Schweißnähte, elektrische Durchführungen und Adapter müssen als vollständige Druckgrenze betrachtet werden.

Bei hohen Drücken steigt nicht nur die mechanische Beanspruchung. Auch die gespeicherte Energie des komprimierten Gases nimmt erheblich zu. Eine Undichtigkeit oder ein Bauteilversagen kann deshalb wesentlich schwerwiegendere Folgen haben als bei einer Niederdruckanwendung.

Die Auswahl eines Wasserstoff-Drucksensors ist somit eine kombinierte Betrachtung aus Werkstofftechnik, Drucktechnik, Explosionsschutz, elektrischer Messtechnik und Anlagenintegration.

Welche Anwendungsdaten vor der Auswahl benötigt werden

Die Angabe „Wasserstoff, 700 bar“ reicht für eine zuverlässige Produktauswahl nicht aus. Bereits die Frage, ob es sich um einen statischen Speicher, einen zyklisch betriebenen Prüfstand oder eine Betankungsanlage handelt, kann zu unterschiedlichen Sensorausführungen führen.

Vor der Auswahl sollten mindestens folgende Bedingungen geklärt werden:

  • gasförmiger oder flüssiger Wasserstoff
  • Reinheit und mögliche Begleitstoffe
  • minimaler, normaler und maximaler Betriebsdruck
  • mögliche Druckspitzen und Druckänderungsgeschwindigkeit
  • Anzahl und Häufigkeit der Druckzyklen
  • Medien- und Umgebungstemperatur
  • Relativ-, Absolut- oder Differenzdruckmessung
  • gewünschte Genauigkeit und Langzeitstabilität
  • Druckanschluss und vorhandene Rohrleitungstechnik
  • zulässige Leckagerate
  • elektrisches Ausgangssignal
  • Versorgungsspannung und angeschlossene Auswerteelektronik
  • Ex-Zone und benötigte Gerätemarkierung
  • mobile oder stationäre Anwendung
  • erforderliche Fahrzeug-, Schiffs-, SIL- oder sonstige Zulassungen

Zusätzlich ist zu klären, ob der Sensor nur der Prozessüberwachung dient oder Teil einer sicherheitsgerichteten Abschaltung ist. Ein Sensor für eine reine Anzeige kann anderen Anforderungen unterliegen als ein Messgerät, dessen Ausfall zu einem gefährlichen Anlagenzustand führen kann.

Gasförmigen und flüssigen Wasserstoff unterscheiden

Die meisten industriellen Wasserstoff-Drucksensoren sind für gasförmigen Wasserstoff vorgesehen. Dabei können je nach Anwendung Drücke von wenigen Millibar bis zu mehreren hundert bar auftreten.

Flüssiger Wasserstoff stellt zusätzlich extreme Temperaturanforderungen. Sein Siedepunkt liegt bei ungefähr −253 °C. Ein gewöhnlicher Drucksensor darf nicht allein aufgrund einer Wasserstofffreigabe direkt mit dieser Temperatur belastet werden.

Bei kryogenen Anwendungen wird der Sensor häufig über eine geeignete Impulsleitung, einen thermischen Abstand oder eine speziell ausgelegte Messanordnung vom tiefkalten Medium getrennt. Dabei muss sichergestellt sein, dass keine unzulässige Erwärmung, Verdampfung, Kondensation oder Druckverfälschung entsteht.

Auch bei gasförmigem Wasserstoff können durch Entspannung, Kompression und schnelle Füllvorgänge deutliche Temperaturänderungen auftreten. Die maximale Prozesstemperatur ist daher nicht immer mit der normalen Umgebungstemperatur identisch.

Eine Freigabe für gasförmigen Wasserstoff bei Raumtemperatur darf nicht ohne Herstellerbestätigung auf flüssigen Wasserstoff oder stark kryogene Gaszustände übertragen werden.

Wasserstoffversprödung richtig einordnen

Unter dem Begriff Wasserstoffversprödung werden verschiedene Mechanismen zusammengefasst, durch die Wasserstoff die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffes beeinträchtigen kann.

Das Risiko hängt nicht nur von der Werkstoffbezeichnung ab. Relevant sind unter anderem:

  • Legierungszusammensetzung
  • Gefüge und Wärmebehandlung
  • Härte und Festigkeitsniveau
  • Schweißverfahren und Schweißnahtqualität
  • mechanische Eigenspannungen
  • Wasserstoffdruck und Temperatur
  • statische oder zyklische Belastung
  • Bauteilgeometrie und Kerben

Die pauschale Aussage „Edelstahl ist wasserstoffbeständig“ ist deshalb nicht ausreichend. Austenitische Edelstähle werden zwar häufig für Wasserstoffanwendungen eingesetzt, aber auch hier müssen die konkrete Werkstoffsorte, Fertigung und Einsatzbedingungen berücksichtigt werden.

Besonders hochfeste Stähle können empfindlicher auf wasserstoffbedingte Rissbildung reagieren. Kleine Gewindebereiche, scharfe Übergänge und stark belastete Membranen müssen konstruktiv entsprechend ausgelegt werden.

Für einen Drucksensor ist die Herstellerfreigabe der vollständigen medienberührten Konstruktion aussagekräftiger als eine allgemeine Materialtabelle. Der Betreiber sollte dennoch bestätigen, dass die spezifizierten Werkstoffe zu seinem Medium und Prozess passen.

Diffusion, Permeation und Langzeitstabilität

Wasserstoff kann durch bestimmte Werkstoffe diffundieren. Bei einer dünnen metallischen Trennmembran kann ein Teil des Gases die Membran durchdringen und in einen dahinterliegenden Raum gelangen.

Bei ölgefüllten Druckmesszellen kann permeierender Wasserstoff in die Übertragungsflüssigkeit eintreten. Unter veränderten Druck- oder Temperaturbedingungen können sich dort Gasblasen bilden. Diese verändern die Druckübertragung und können zu Nullpunktverschiebung, Hysterese oder einem verzögerten Ansprechverhalten führen.

Eine trockene, verschweißte Messzelle kann dieses Risiko reduzieren, sofern sämtliche medienberührten Werkstoffe und Schweißverbindungen für die Anwendung ausgelegt sind.

Bei besonders anspruchsvollen Messstellen kommen außerdem spezielle Barrierebeschichtungen oder Membrankonstruktionen zum Einsatz. Solche Lösungen können die Permeation reduzieren, müssen aber für den konkreten Sensor und Messbereich qualifiziert sein.

Permeation ist häufig kein sofort sichtbarer Fehler. Ein Sensor kann bei der Inbetriebnahme korrekt arbeiten und erst nach längerer Wasserstoffexposition driften. Deshalb sind Langzeitstabilität, Druckzyklen und die vorgesehene Wartungsdauer wichtige Auswahlkriterien.

Messmembran und Messzellenkonstruktion

Die Messmembran ist eines der am stärksten belasteten Bauteile des Drucksensors. Sie steht direkt mit dem Wasserstoff in Kontakt und verformt sich bei jeder Druckänderung.

Je nach Sensortechnologie wird die Verformung beispielsweise über Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen, piezoresistive Siliziumelemente oder resonante Strukturen erfasst.

Bei einer mediengetrennten Siliziummesszelle überträgt eine metallische Membran den Druck auf das eigentliche Sensorelement. Die Konstruktion schützt die Elektronik vor dem Medium, kann aber eine Übertragungsflüssigkeit enthalten.

Bei einer trockenen Dünnfilmzelle werden die Messelemente direkt auf einem metallischen Messkörper aufgebracht. Dadurch kann eine vollständig verschweißte, füllflüssigkeitsfreie Konstruktion möglich sein.

Keine Technologie ist für jede Anwendung grundsätzlich überlegen. Bewertet werden müssen:

  • Wasserstofffreigabe der medienberührten Materialien
  • Membrandicke und mechanische Belastung
  • Vorhandensein einer Füllflüssigkeit
  • Permeationsschutz
  • Druckwechselbeständigkeit
  • Überlast- und Berstdruck
  • Genauigkeit und Langzeitstabilität
  • Temperaturverhalten

Eine frontbündige Membran ist für Wasserstoff nicht automatisch besser als ein innenliegender Druckkanal. Sie kann größere Oberfläche und eine sehr dünne Trennmembran besitzen. Die Eignung muss daher modellspezifisch bestätigt werden.

Medienberührte Werkstoffe vollständig bewerten

Zum medienberührten Bereich gehören nicht nur Membran und sichtbarer Prozessanschluss. Je nach Konstruktion können auch interne Druckkanäle, Schweißnähte, Dichtungen, Füllflüssigkeiten und Adapter mit dem Wasserstoff in Kontakt stehen.

Eine vollständige Werkstoffliste sollte deshalb möglichst alle benetzten Komponenten ausweisen. Angaben wie „Gehäuse Edelstahl“ sagen nichts darüber aus, ob die eigentliche Messmembran, der interne Druckkanal oder eine Prozessdichtung aus demselben Werkstoff bestehen.

Bei einem verschweißten Sensor sind außerdem die Schweißzusatzwerkstoffe und die Wärmeeinflusszonen Teil der Druckgrenze. Eine gute Grundwerkstoffauswahl kann durch ein ungeeignetes Fügeverfahren beeinträchtigt werden.

Für die Bewertung sollten neben Wasserstoff weitere Bestandteile des Mediums berücksichtigt werden. Feuchtigkeit, Sauerstoff, Elektrolytrückstände, Schmierstoffe oder Reinigungsmedien können die Korrosions- und Alterungsbedingungen verändern.

Die Werkstoffauswahl sollte immer auf Basis der maximalen Konzentration, Temperatur, Druckbelastung und Einwirkdauer erfolgen. ICS Schneider Messtechnik kann geeignete Sensorausführungen vorschlagen, die endgültige Bestätigung der Medienverträglichkeit muss jedoch applikationsbezogen durch Betreiber und Hersteller erfolgen.

Elastomerdichtungen, Metalldichtungen und verschweißte Ausführungen

Elastomerdichtungen ermöglichen kompakte und demontierbare Druckanschlüsse. Bei Wasserstoff können jedoch Permeation, Quellung, Extrusion und schnelle Druckentlastung problematisch sein.

Ob FKM, EPDM, FFKM, NBR oder ein anderer Dichtwerkstoff geeignet ist, lässt sich nicht allein aus der Werkstoffgruppe ableiten. Die konkrete Mischung, Temperatur, Druckdifferenz, Einbaunute und Druckwechselgeschwindigkeit spielen eine wesentliche Rolle.

Bei schneller Druckentlastung kann zuvor in das Elastomer eingedrungener Wasserstoff expandieren. Dadurch können innere Blasen, Risse oder Oberflächenablösungen entstehen. Dieser Effekt wird häufig als explosive Dekompression oder Rapid Gas Decompression bezeichnet.

Metalldichtungen und konische Hochdruckanschlüsse können die Permeation durch Elastomere vermeiden. Sie benötigen jedoch sehr genaue Dichtflächen, definierte Anzugsmomente und eine geeignete Gegenverschraubung.

Eine vollständig verschweißte Messzelle reduziert die Zahl möglicher Dichtstellen innerhalb des Sensors. Der äußere Prozessanschluss kann trotzdem eine separate Dichtung oder eine metallische Dichtgeometrie benötigen.

Für hohe Drücke und niedrige zulässige Leckageraten ist deshalb häufig eine möglichst geringe Zahl an Trennstellen vorteilhaft. Wartbarkeit und Austauschbarkeit müssen gegen die Anforderungen an Dichtheit abgewogen werden.

Druckanschluss für Wasserstoff und Hochdruck auswählen

Der Druckanschluss muss sowohl zum Sensor als auch zum vorhandenen Rohrleitungssystem passen. Gewindegröße und Gewindeart allein reichen für die Auswahl nicht aus.

Zu prüfen sind unter anderem:

  • zulässiger Betriebsdruck des konkreten Anschlusses
  • Dichtprinzip im Gewinde oder über separate Dichtfläche
  • Werkstoff des Gegenanschlusses
  • erforderliches Anzugsmoment
  • Montage- und Demontagehäufigkeit
  • Totvolumen und Spülbarkeit
  • Vibrations- und Druckwechselbelastung
  • zulässige Leckagerate

Ein G1/4-, NPT- oder UNF-Anschluss kann bei einem bestimmten Sensor bis zu hohen Drücken freigegeben sein. Daraus folgt jedoch nicht, dass jede handelsübliche Gegenverschraubung, jeder Adapter und jede Dichtmethode denselben Druck sicher aufnehmen kann.

Bei sehr hohen Drücken werden häufig spezielle Konus-Gewinde-Verbindungen oder andere Hochdruckverschraubungen eingesetzt. Sensor, Adapter, Rohrleitung und Ventil müssen als zusammenhängende Druckkette ausgelegt sein.

Zusätzliche Adapter erhöhen die Zahl potenzieller Leckstellen und können das Totvolumen vergrößern. Wo möglich, sollte der Sensor mit einem direkt passenden Prozessanschluss gewählt werden.

Leckagerate und Dichtheitsprüfung festlegen

Die Angabe „dicht“ ist technisch nicht eindeutig. Jede Anlage besitzt eine maximal zulässige Leckagerate, die sich aus Sicherheitsanforderungen, Gasverlust, Messaufgabe und Prüfverfahren ergibt.

Bei Wasserstoffanwendungen kann eine Druckhalteprüfung allein zu unempfindlich sein. Eine kleine Leckage verändert den Druck in einem großen Volumen möglicherweise nur langsam und bleibt während einer kurzen Prüfung unentdeckt.

Je nach Anforderung können Prüfungen mit Formiergas, Helium oder einem anderen geeigneten Prüfgas durchgeführt werden. Prüfmedium, Prüfdruck, Messverfahren und Akzeptanzwert müssen jedoch zur Konstruktion und zum späteren Wasserstoffbetrieb passen.

Eine Helium-Leckprüfung liefert nicht automatisch denselben Zahlenwert wie eine Wasserstoff-Leckrate. Umrechnungen erfordern ein definiertes physikalisches Modell und eine klare Angabe der Prüfbedingungen.

Entscheidend ist außerdem, ob sich der spezifizierte Wert nur auf den Sensor oder auf die komplette montierte Baugruppe einschließlich Adapter und Rohranschluss bezieht.

Bei einer sicherheitskritischen Anwendung sollte die erforderliche Leckagerate bereits in der Anfrage genannt werden. Eine nachträgliche Forderung kann eine vollständig andere Sensor- und Anschlussausführung erforderlich machen.

Messbereich, Betriebsdruck und Überlast richtig unterscheiden

Der Messbereich beschreibt den Bereich, innerhalb dessen der Sensor den Druck mit den angegebenen Leistungsdaten erfasst. Er ist nicht identisch mit dem maximal zulässigen Betriebsdruck oder der Überlastgrenze.

Ein Sensor mit einem Messbereich von 0 bis 700 bar kann beispielsweise eine höhere kurzzeitige Überlast aushalten. Diese Reserve darf jedoch nicht als regulärer Betriebsbereich verwendet werden.

Der Berstdruck bezeichnet eine nochmals höhere Grenze, bei der die Druckgrenze des Sensors nicht versagen soll. Auch dieser Wert ist keine zulässige Betriebs- oder wiederkehrende Überlast.

Für die Auswahl müssen folgende Werte getrennt betrachtet werden:

  • minimaler Prozessdruck
  • normaler Betriebsdruck
  • maximaler Betriebsdruck
  • regelmäßige Druckspitzen
  • seltene Fehler- oder Prüfdrücke
  • zulässige Überlast des Sensors
  • Berstdruck

Der Messbereich sollte möglichst gut zum tatsächlichen Arbeitsbereich passen. Ein 1.000-bar-Sensor an einer Messstelle mit normalerweise 20 bar nutzt nur einen kleinen Teil seines Signals und kann eine unnötig schlechte nutzbare Auflösung verursachen.

Umgekehrt darf der Sensor nicht so knapp ausgelegt werden, dass normale Druckspitzen regelmäßig in den Überlastbereich führen.

Druckmessung bei 350, 700 und 1.000 bar

Bei mobilen und stationären Wasserstoffsystemen treten häufig Druckstufen um 350 oder 700 bar auf. Prüfstände, Komponentenprüfungen und Verdichtersysteme können darüber hinaus Messbereiche bis 1.000 bar oder mehr erfordern.

Für einen 700-bar-Speicher ist nicht automatisch ein Sensor mit exakt 700 bar Messbereich ausreichend. Während Befüllung, Temperaturänderung und Prüfung können höhere Drücke auftreten. Der erforderliche Messbereich ergibt sich aus dem vollständigen Druckprofil und den geltenden Systemanforderungen.

Mit zunehmendem Druck werden folgende Punkte besonders wichtig:

  • Werkstofffestigkeit und Wasserstoffverträglichkeit
  • Druckwechselzahl
  • Überlast- und Berstdruck
  • Ausführung des Prozessanschlusses
  • Qualität der Dichtflächen
  • Montagevorschriften
  • Leckagerate
  • Schutz vor Druckstößen

Ein Sensor, der für 1.000 bar in Hydrauliköl ausgelegt ist, ist nicht automatisch für 1.000 bar Wasserstoff geeignet. Werkstofffreigabe und Konstruktion müssen sich ausdrücklich auf die Wasserstoffanwendung beziehen.

Druckwechsel, Pulsationen und Ermüdung

In einem statischen Speicher verändert sich der Druck vergleichsweise langsam. Ein Verdichter, Prüfstand oder Betankungssystem kann den Sensor dagegen sehr häufig und schnell be- und entlasten.

Jeder Druckwechsel verformt die Messmembran und belastet Druckanschluss sowie Schweißnähte. Auch wenn der Druck unterhalb des Nennbereichs bleibt, kann eine sehr hohe Zykluszahl für die Lebensdauer entscheidend sein.

Für zyklische Anwendungen sollten daher zusätzlich angegeben werden:

  • erwartete Zahl der Druckzyklen
  • unterer und oberer Zyklusdruck
  • Druckanstiegs- und Entlastungsgeschwindigkeit
  • Pulsationsfrequenz
  • Temperatur während des Zyklus
  • mögliche Resonanzen und Schwingungen

Ein Dämpfungselement kann schnelle Druckspitzen reduzieren, verändert aber zugleich das dynamische Verhalten der Messung. Bei Regel- und Prüfaufgaben muss deshalb geklärt werden, ob schnelle Ereignisse bewusst erfasst oder mechanisch gedämpft werden sollen.

Die statische Überlastangabe eines Datenblattes ersetzt keine Aussage zur Druckwechselbeständigkeit.

Relativdruck, Absolutdruck oder Sealed Gauge?

Bei der Relativdruckmessung wird der Prozessdruck mit dem aktuellen atmosphärischen Druck verglichen. Der Sensor besitzt dazu eine Druckreferenz zur Umgebung.

Diese Bauform ist für viele offene und belüftete Systeme geeignet. Bei hohen Drücken wird häufig eine hermetisch eingeschlossene Referenz verwendet. Diese Ausführung wird als Sealed Gauge bezeichnet.

Bei einer Absolutdruckmessung bezieht sich der Messwert auf ein eingeschlossenes Vakuum. Sie ist sinnvoll, wenn der tatsächliche absolute Gasdruck benötigt wird oder atmosphärische Änderungen nicht in das Ergebnis eingehen sollen.

Die Begriffe dürfen nicht verwechselt werden. Ein Messbereich von 0 bis 700 bar relativ und ein Messbereich von 0 bis 700 bar absolut liefern bei gleichem Prozessdruck um ungefähr den Atmosphärendruck unterschiedliche Werte.

Für Hochdruckanwendungen ist diese Differenz prozentual klein, kann aber für Prüfprotokolle, thermodynamische Berechnungen und Referenzmessungen relevant sein.

Genauigkeit und Gesamtfehler bewerten

Die Genauigkeit eines Wasserstoff-Drucksensors wird häufig als Prozent des Endwertes angegeben. Dabei muss geprüft werden, welche Fehleranteile in dieser Angabe enthalten sind.

Eine reine Nichtlinearitätsangabe ist nicht mit einem Gesamtfehler über den vollständigen Temperaturbereich vergleichbar. Für die reale Messaufgabe können zusätzlich relevant sein:

  • Nichtlinearität
  • Hysterese
  • Wiederholbarkeit
  • Nullpunkt- und Spantoleranz
  • Temperaturfehler
  • Langzeitdrift
  • Einfluss der Versorgungsspannung
  • Einfluss der elektrischen Last
  • Montageeinfluss

Ein Sensor mit einer sehr kleinen BSL-Nichtlinearität kann im realen Temperaturbereich eine deutlich größere Gesamtabweichung besitzen. Für eine belastbare Auswahl sollte deshalb der Total Error beziehungsweise das Gesamtfehlerband betrachtet werden, sofern es angegeben ist.

Bei Prüfständen und Entwicklungsanwendungen kann eine Genauigkeit von wenigen Hundertstel Prozent erforderlich sein. Für eine reine Betriebsüberwachung oder Grenzwertmeldung kann eine größere Abweichung ausreichend sein.

Ein zu enger Genauigkeitswert erhöht Kosten und Kalibrieraufwand. Die Anforderung sollte daher aus der tatsächlichen Messunsicherheit der Anwendung abgeleitet werden.

Ansprechzeit und dynamische Druckmessung

Bei Speichern und langsam veränderlichen Prozessen ist die Ansprechzeit häufig unkritisch. In Verdichtern, Einspritzsystemen, Ventilprüfständen und schnellen Füllvorgängen kann sie dagegen entscheidend sein.

Ein Sensor mit hoher elektrischer Bandbreite kann schnelle Druckänderungen erfassen. Die tatsächliche Messkette wird jedoch zusätzlich durch Druckkanäle, Adapter, Drosseln, Totvolumen und Abtastrate der Datenerfassung beeinflusst.

Eine lange Impulsleitung kann Druckspitzen dämpfen oder Resonanzen erzeugen. Ein schneller Sensor am Ende einer ungeeigneten Leitung liefert daher nicht automatisch den tatsächlichen Prozessverlauf.

Für dynamische Messungen müssen mindestens Sensorbandbreite, Abtastrate, Filterung und mechanischer Anschluss zusammen betrachtet werden.

Bei einer reinen Anlagenregelung kann eine definierte Dämpfung erwünscht sein. Bei einem Prüfstand, der Druckspitzen untersuchen soll, würde dieselbe Dämpfung wichtige Informationen unterdrücken.

Medien-, Umgebungs- und Prozesstemperatur

Ein Drucksensor besitzt üblicherweise mehrere Temperaturgrenzen. Dazu gehören die zulässige Medientemperatur, Umgebungstemperatur, Lagertemperatur und der kompensierte Temperaturbereich.

Innerhalb des kompensierten Bereichs gelten die spezifizierten Temperaturfehler. Außerhalb kann der Sensor weiterhin funktionieren, aber eine größere Messabweichung aufweisen.

Bei schneller Verdichtung erwärmt sich Wasserstoff. Bei Entspannung kann die Temperatur deutlich sinken. Der Sensor muss deshalb nicht nur für die normale Raumtemperatur, sondern auch für die dynamischen Prozesstemperaturen geeignet sein.

Elektrische Anschlüsse und Kabel besitzen häufig niedrigere Temperaturgrenzen als die metallische Messzelle. Der Sensor darf deshalb nicht allein anhand der maximalen Temperatur der Membran ausgewählt werden.

Bei großen Temperaturwechseln müssen außerdem Dichtungen, Adapter und Rohrleitungen betrachtet werden. Unterschiedliche Wärmeausdehnungen können zusätzliche mechanische Spannungen oder Leckagen verursachen.

4–20 mA, 0–10 V und ratiometrische Ausgangssignale

Das Ausgangssignal muss zur Steuerung, SPS, Datenerfassung oder Fahrzeugsteuerung passen. Ein ungeeignetes Signal lässt sich nicht immer durch eine einfache Verdrahtungsänderung korrigieren.

Ausgangssignal Typische Vorteile Zu beachtende Punkte
4–20 mA, 2-Leiter Störsichere Übertragung über längere Leitungen, Drahtbrucherkennung möglich Versorgung, Bürde und Ex-Trennbarriere müssen zusammenpassen
0–10 V, 3-Leiter Einfache Anbindung an viele SPS- und Prüfstandseingänge Spannungsabfall, Massebezug und elektromagnetische Störungen beachten
0–5 V Geeignet für kompakte Elektronik und Datenerfassung Gemeinsames Bezugspotenzial und Eingangsimpedanz prüfen
0,5–4,5 V ratiometrisch Häufig in mobilen und OEM-Anwendungen, Diagnose von Leitungsfehlern möglich Ausgang ist von der Versorgungsspannung abhängig
mV/V Direktes Sensorsignal und hohe Dynamik möglich Geeigneter Messverstärker und störarme Verkabelung erforderlich
Digital oder Frequenz Geringere analoge Übertragungsfehler und zusätzliche Diagnosedaten möglich Protokoll, Abtastrate und Systemintegration müssen passen

Bei einem 4–20-mA-Sensor muss die verfügbare Versorgungsspannung für Sensor, Leitungswiderstand, Auswerteeingang und gegebenenfalls eine Ex-Trennbarriere ausreichen.

Bei 0–10 V ist auf eine saubere Masseführung zu achten. Potentialunterschiede zwischen Sensor und SPS können den Messwert verschieben oder Ausgleichsströme verursachen.

Zur elektrischen Prüfung einer 4–20-mA-Stromschleife kann der UPS4E Stromschleifen-Kalibrator eingesetzt werden. Er kann den Schleifenstrom messen oder definierte Stromwerte zur Prüfung des SPS-Eingangs simulieren.

Der UPS4E erzeugt jedoch keinen Wasserstoffdruck. Er prüft die elektrische Signalverarbeitung, nicht die Membran, Druckdichtheit oder Medienverträglichkeit des Sensors.

ATEX und IECEx bei Wasserstoffanwendungen

Wasserstoff bildet mit Luft eine entzündbare Atmosphäre. Wird ein Drucksensor in einem explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt, muss seine Gerätekategorie beziehungsweise sein Equipment Protection Level zur Zoneneinteilung passen.

Wasserstoff gehört zur anspruchsvollen Gasgruppe IIC. Ein Gerät, das ausschließlich für IIA oder IIB zugelassen ist, darf nicht automatisch in einer Wasserstoffatmosphäre eingesetzt werden.

Bei der Ex-Auswahl sind unter anderem zu prüfen:

  • Zone 0, 1 oder 2
  • Gerätekategorie beziehungsweise EPL
  • Gasgruppe IIC oder ausdrückliche Wasserstoffeignung
  • Temperaturklasse
  • zulässiger Umgebungstemperaturbereich
  • Zündschutzart
  • elektrische Anschlussbedingungen
  • zugehörige Betriebsmittel und Trennbarrieren

Bei eigensicheren Stromkreisen müssen Sensor, Speisetrenner, Kabel und elektrische Parameter gemeinsam nachgewiesen werden. Eine ATEX-Kennzeichnung auf dem Sensor allein bestätigt nicht, dass der vollständige Stromkreis eigensicher aufgebaut ist.

Eine druckfeste Kapselung verfolgt ein anderes Schutzprinzip als Eigensicherheit. Welche Zündschutzart geeignet ist, hängt von Anlage, Wartungskonzept und elektrischer Installation ab.

ATEX beantwortet außerdem nicht die Frage, ob der Sensor langfristig medienverträglich ist. Ein Ex-Sensor für Erdgas oder ein anderes brennbares Gas ist nicht automatisch ein geeigneter Wasserstoff-Drucksensor.

EC79 und UN R134 richtig einordnen

Die frühere Verordnung EG 79/2009 definierte Anforderungen an die Typgenehmigung wasserstoffbetriebener Fahrzeuge und bestimmter Wasserstoffkomponenten.

Sie ist seit Juli 2022 nicht mehr in Kraft. Im aktuellen europäischen Fahrzeug-Typgenehmigungsrahmen spielen unter anderem die Verordnung EU 2019/2144 und die UN-Regelung Nr. 134 eine wichtige Rolle.

Produkte werden auf dem Markt dennoch teilweise weiterhin mit einer EC79-Freigabe beschrieben. Dies kann zeigen, dass die betreffende Ausführung nach den damaligen Anforderungen für eine mobile Wasserstoffanwendung geprüft wurde.

Für ein neues Fahrzeugprojekt muss jedoch geklärt werden, welche aktuelle Regelung, Änderungsserie und Genehmigung vom Fahrzeughersteller oder der Zulassungsstelle gefordert wird.

Eine Freigabe nach UN R134 ist ebenfalls nicht pauschal auf jede Variante eines Sensors übertragbar. Messbereich, Prozessanschluss, elektrischer Anschluss und Software- beziehungsweise Signalversion können Bestandteil der Genehmigung sein.

Bei stationären Elektrolyse-, Speicher- oder Prüfstandsanlagen ist eine Fahrzeugzulassung häufig nicht erforderlich. Dort können stattdessen Druckgeräterichtlinie, ATEX, Maschinenrecht, betriebliche Spezifikationen und anlagenspezifische Normen relevant sein.

SIL und funktionale Sicherheit

SIL beschreibt die Zuverlässigkeit einer Sicherheitsfunktion und nicht allgemein die Genauigkeit oder Wasserstoffverträglichkeit eines Sensors.

Ein SIL-fähiger Drucksensor kann in einer sicherheitsgerichteten Messkette eingesetzt werden, wenn die zugehörigen sicherheitstechnischen Kennwerte, Diagnosefunktionen und Einsatzbedingungen berücksichtigt werden.

Für eine vollständige Sicherheitsfunktion müssen neben dem Sensor auch Logik, Aktor, Prüfintervalle und Prozessbedingungen bewertet werden.

Ein Sensor mit SIL-Eignung benötigt nicht automatisch eine ATEX-Zulassung. Ebenso ist ein ATEX-Sensor nicht automatisch für eine SIL-Schleife qualifiziert.

SIL, Explosionsschutz, Medienverträglichkeit und Fahrzeugzulassung sind getrennte Anforderungen, die je nach Anwendung gleichzeitig erfüllt werden müssen.

Gasreinheit, Sauberkeit und Kontamination

Die Zusammensetzung des Wasserstoffs kann die Auswahl beeinflussen. Elektrolysewasserstoff kann Feuchtigkeit oder Elektrolytrückstände enthalten. Reformergas kann weitere Bestandteile aufweisen. Brennstoffzellen benötigen häufig eine definierte Gasreinheit.

Toträume, ungeeignete Dichtmittel oder Schmierstoffe können den Gasstrom verunreinigen. Bei hochreinen Anwendungen müssen deshalb nicht nur die Werkstoffe, sondern auch Fertigung, Reinigung, Verpackung und Montage berücksichtigt werden.

Die Forderung „öl- und fettfrei“ muss technisch konkretisiert werden. Eine Reinigung für Sauerstoffanwendungen verfolgt besondere Ziele und ist nicht automatisch mit allen Anforderungen einer hochreinen Wasserstoffanlage identisch.

Gewindedichtmittel dürfen nur verwendet werden, wenn sie für den Druck, die Temperatur, Wasserstoff und die geforderte Gasreinheit freigegeben sind. Überschüssiges Dichtmittel kann in den Druckkanal gelangen und das dynamische Verhalten beeinträchtigen.

Drucksensor fachgerecht montieren

Vor der Montage müssen Typenschild, Messbereich, Anschluss, Ausgangssignal und Zulassungskennzeichnung mit der Bestellung und Anlagendokumentation verglichen werden.

Die Druckleitung muss drucklos und gegen unbeabsichtigtes Wiederbefüllen gesichert sein. Hochdruck-Wasserstoffsysteme dürfen nur durch entsprechend qualifizierte Personen geöffnet oder montiert werden.

Der Sensor wird ausschließlich am vorgesehenen Schlüsselflächenbereich angezogen. Das Gehäuse oder der elektrische Stecker darf nicht als Hebel verwendet werden.

Das Anzugsmoment richtet sich nach Sensor, Gewinde, Dichtprinzip und Gegenanschluss. Ein zu kleines Drehmoment kann zu Leckagen führen. Ein zu hohes Drehmoment kann Gewinde, Dichtfläche oder Messkörper beschädigen.

Bei konischen Gewinden ist zu beachten, dass die Dichtwirkung im Gewinde entsteht. Bei zylindrischen Gewinden erfolgt die Abdichtung meist über eine separate Dichtfläche oder einen Dichtring.

Das Anschlusskabel muss zugentlastet und vor Vibration, scharfen Kanten und Wärme geschützt werden. Der Sensor sollte nicht das Gewicht einer frei hängenden Rohrleitung oder eines schweren Adapters aufnehmen.

Nach der Montage ist eine geeignete Dichtheitsprüfung erforderlich. Erst danach sollte das System schrittweise und kontrolliert mit Wasserstoff beaufschlagt werden.

Rohrleitungen, Ventile und Adapter mitbewerten

Der beste Wasserstoff-Drucksensor kann eine ungeeignete Installation nicht kompensieren. Rohrleitungen, Ventile, Adapter und Dichtungen bilden gemeinsam mit dem Sensor die Druckgrenze.

Die Bauteile müssen hinsichtlich Druck, Temperatur, Werkstoff, Wasserstoffverträglichkeit und Druckwechselzahl zusammenpassen.

Ein Adapter mit niedrigerer Druckfreigabe begrenzt die gesamte Baugruppe. Gleiches gilt für Ventile, Schläuche und Rohrverschraubungen.

Bei schnellen Druckänderungen können kleine Bohrungen und lange Leitungen das Messsignal verzögern. Bei Pulsationen können Leitungsvolumen und Sensorhohlraum Resonanzen erzeugen.

Der Sensor sollte möglichst so angeordnet werden, dass er vor unzulässiger mechanischer Belastung geschützt ist, aber den tatsächlichen Prozessdruck ohne unnötige Verzögerung erfasst.

Absperrventile können Wartung und Sensortausch erleichtern. Sie erzeugen jedoch zusätzliche Dichtstellen und müssen gegen unbeabsichtigte Fehlbedienung berücksichtigt werden.

Kalibrierung und wiederkehrende Prüfung

Eine Werks- oder akkreditierte Kalibrierung bestätigt das Messverhalten unter definierten Bedingungen. Sie ist kein Nachweis der Wasserstoffverträglichkeit oder Dichtheit im späteren Einbau.

Für Wasserstoff-Drucksensoren sollten Kalibrierintervalle anhand von Messanforderung, Druckzyklen, Temperaturbelastung, Sicherheitsfunktion und Betriebserfahrung festgelegt werden.

Bei wiederkehrenden Prüfungen werden typischerweise Nullpunkt, Spanne, Hysterese und Wiederholbarkeit kontrolliert. Eine zunehmende Nullpunktverschiebung kann auf Überlast, mechanische Spannung, Permeation oder Alterung hinweisen.

Für hohe Drücke werden geeignete Druckwaagen, hydraulische Vergleichssysteme oder Gasdruckregler eingesetzt. Das Kalibriermedium und die anschließende Reinigung müssen zur Sensor- und Prozessausführung passen.

Ein Sensor, der für einen hochreinen Wasserstoffprozess vorgesehen ist, darf durch die Kalibrierung nicht mit einem unzulässigen Öl oder anderen Rückständen kontaminiert werden.

Nach dem Wiedereinbau müssen Druckanschluss und gesamte Baugruppe erneut auf Dichtheit geprüft werden.

Typische Wasserstoffanwendungen

Elektrolyse und Wasserstoffproduktion

In Elektrolyseanlagen werden Drücke an Elektrolyseuren, Gasaufbereitung, Trocknung, Verdichtung und Pufferspeichern überwacht. Neben Wasserstoff können Feuchtigkeit, Sauerstoff oder Elektrolytrückstände relevant sein.

Verdichter

Verdichter erzeugen schnelle Druckänderungen, Pulsationen, Vibrationen und erhöhte Temperaturen. Hier sind Druckwechselbeständigkeit, dynamisches Verhalten und mechanisch robuste Anschlüsse besonders wichtig.

Wasserstoffspeicher

Speicheranwendungen benötigen eine zuverlässige Langzeitmessung, geringe Leckage und einen Messbereich, der auch Füll- und Temperatureffekte abdeckt.

Betankungsanlagen

Bei Betankungssystemen treffen hohe Drücke, schnelle Füllvorgänge, Temperaturänderungen und explosionsgefährdete Bereiche aufeinander. Zusätzlich können anlagenspezifische und eichrechtliche Anforderungen bestehen.

Brennstoffzellensysteme

Auf der Niederdruckseite von Brennstoffzellen werden häufig kompakte Sensoren mit ratiometrischen Signalen verwendet. Materialverträglichkeit und Fahrzeugzulassungen können dennoch erforderlich sein.

Prüfstände

Prüfstände benötigen häufig eine hohe Genauigkeit, schnelle Ansprechzeit und flexible Datenerfassung. Die Sensoren werden oft sehr vielen Druckzyklen und bewusst erzeugten Grenzbelastungen ausgesetzt.

Wasserstoffleitungen und Verteilnetze

Bei Rohrnetzen stehen Langzeitstabilität, Ex-Schutz, Fernübertragung und Wartbarkeit im Vordergrund. Messbereich und Werkstoffe richten sich nach Netzstufe und Gasqualität.

Auswahlkriterien im direkten Vergleich

Anforderung Besonders zu prüfen Mögliche geeignete Sensorausführung
Stationärer Speicher bis 700 bar Langzeitstabilität, Dichtheit, Druckanschluss und Überlast Wasserstoffoptimierter Sensor mit verschweißter oder qualifizierter mediengetrennter Messzelle
Prüfstand bis 1.000 bar Druckzyklen, Genauigkeit, Dynamik und Hochdruckanschluss Wasserstofffreigegebener Hochdrucksensor mit geeignetem Prüfstandsanschluss
Fahrzeug oder mobile Brennstoffzelle Aktuelle Fahrzeuganforderungen, EMV, Vibration und ratiometrisches Signal OEM-Sensor mit projektspezifischer UN-R134- beziehungsweise Fahrzeugfreigabe
Zone 0 oder Zone 1 ATEX-Kategorie, EPL, IIC, Temperaturklasse und Trennbarriere Eigensichere Sensorversion mit vollständigem Nachweis des Stromkreises
Hochpräziser Forschungsprüfstand Gesamtfehler, Langzeitdrift, digitale Schnittstelle und Wasserstoffbarriere Hochpräziser resonanter Wasserstoff-Drucksensor
Langer Leitungsweg zur SPS Bürde, Versorgung und elektromagnetische Störungen 2-Leiter-Sensor mit 4–20-mA-Ausgang
Fahrzeugelektronik oder kompakte Steuerung Versorgung, Diagnosebereich und EMV 0,5–4,5-V-ratiometrischer Sensor
Sehr geringe zulässige Leckage Anzahl der Dichtstellen, Prüfverfahren und komplette Baugruppe Verschweißte Messzelle mit metallisch dichtendem Prozessanschluss

Typische Auswahlfehler

Auswahlfehler Mögliche Folge Bessere Vorgehensweise
Allgemeinen 1.000-bar-Sensor ohne Wasserstofffreigabe auswählen Unbekannte Langzeitstabilität, Versprödungs- oder Permeationsrisiko Vollständige Wasserstoffeignung vom Hersteller bestätigen lassen
Nur den Gehäusewerkstoff betrachten Ungeeignete Membran, Dichtung oder interne Druckkanäle bleiben unberücksichtigt Komplette Liste der medienberührten Werkstoffe prüfen
ATEX als Nachweis der Medienverträglichkeit betrachten Ex-Schutz vorhanden, Werkstoff aber möglicherweise ungeeignet Explosionsschutz und Wasserstoffverträglichkeit getrennt prüfen
EC79 ohne Prüfung als aktuelle Zulassung verwenden Anforderung des aktuellen Fahrzeugprojektes wird nicht erfüllt Aktuellen Typgenehmigungsrahmen und UN R134 projektspezifisch prüfen
Druckbereich exakt auf normalen Betriebsdruck begrenzen Druckspitzen führen regelmäßig zur Überlastung Vollständiges Druckprofil einschließlich Fehlerfällen berücksichtigen
Überlastgrenze als Dauerbetriebsdruck verwenden Drift, Materialermüdung oder vorzeitiger Ausfall Überlast nur als kurzzeitige Schutzreserve betrachten
Beliebige Elastomerdichtung einsetzen Permeation, explosive Dekompression oder Leckage Dichtwerkstoff und Dichtgeometrie applikationsbezogen freigeben
Sensoranschluss mit beliebigem Adapter kombinieren Adapter begrenzt Druckfestigkeit oder verursacht Leckagen Komplette Hochdruckverbindung gemeinsam auslegen
Nur Nichtlinearität als Genauigkeit bewerten Temperatur- und Langzeitfehler werden unterschätzt Gesamtfehlerband und Betriebsbedingungen vergleichen
Druckzyklen nicht angeben Sensor wird statisch korrekt, aber für die Dauerbelastung ungeeignet ausgewählt Zykluszahl und Druckänderungsgeschwindigkeit spezifizieren
Leckagerate erst nach der Bestellung definieren Gewählte Dichtung und Anschlussart erfüllen die Anforderung nicht Prüfverfahren und Akzeptanzwert bereits in der Anfrage festlegen

Praxisbeispiel: Drucksensor für einen 1.000-bar-Wasserstoffprüfstand

Für einen Komponentenprüfstand wird ein Drucksensor mit einem Messbereich von 0 bis 1.000 bar gesucht. Die erste Auswahl fällt auf einen allgemeinen Hochdrucksensor aus Edelstahl mit 4–20-mA-Ausgang.

Der Sensor ist für Hydraulikanwendungen bis 1.000 bar ausgelegt und besitzt eine ausreichende statische Überlastgrenze. Eine ausdrückliche Freigabe für Wasserstoff liegt jedoch nicht vor.

Im Prüfstand soll der Druck zwischen 50 und 900 bar wechseln. Pro Prüfling sind mehrere tausend Lastwechsel vorgesehen. Die Druckentlastung erfolgt teilweise innerhalb weniger Sekunden.

Zusätzlich befindet sich der Sensor in einer als explosionsgefährdet eingestuften Umgebung. Die vorhandene SPS erwartet ein 4–20-mA-Signal über einen eigensicheren Trennspeiser.

Bei genauerer Prüfung ergeben sich mehrere offene Punkte:

  • Der allgemeine Edelstahl des Sensors ist nicht näher spezifiziert.
  • Die Messzelle enthält eine interne Füllflüssigkeit.
  • Der Prozessanschluss verwendet eine nicht näher freigegebene Elastomerdichtung.
  • Es liegt keine Aussage zur Druckwechselbeständigkeit in Wasserstoff vor.
  • Der Sensor besitzt keine passende ATEX-Ausführung.
  • Die zulässige Leckagerate des Prüfstands wurde noch nicht definiert.

Der Sensor wird deshalb nicht allein aufgrund seines Messbereichs freigegeben. Stattdessen werden Wasserstoffkonzentration, Temperaturprofil, Zykluszahl, Druckanstieg, Entlastungsgeschwindigkeit, Ex-Zone und erforderliche Leckagerate dokumentiert.

Für die Anwendung wird anschließend ein ausdrücklich wasserstoffgeeigneter Hochdrucksensor ausgewählt. Abhängig von der geforderten Genauigkeit kommen beispielsweise eine HT-H2-Ausführung oder ein verschweißter IMP336 infrage. Druckanschluss und Gegenverschraubung werden gemeinsam für den maximalen Prüf- und Fehlerdruck ausgelegt.

Die Ex-Version wird anhand der tatsächlichen Zone, Gasgruppe und elektrischen Daten mit dem vorhandenen Trennspeiser abgeglichen. Zusätzlich wird geklärt, ob der Sensor die geforderte Zahl an Druckzyklen innerhalb des vorgesehenen Wartungsintervalls aufnehmen kann.

Nach der Montage wird zunächst die komplette Baugruppe mit dem festgelegten Leckprüfverfahren kontrolliert. Anschließend erfolgt eine schrittweise Druckprüfung mit einem geeigneten Referenzmessgerät.

Das Beispiel zeigt, dass die Angabe „0 bis 1.000 bar, Edelstahl, 4–20 mA“ für einen Wasserstoffprüfstand nicht ausreicht. Die tatsächliche Eignung ergibt sich erst aus Werkstoffen, Messzelle, Dichtkonzept, Druckzyklen, Anschluss, Ex-Ausführung und Prüfanforderungen.

Welche Angaben für eine technische Anfrage erforderlich sind

Für eine belastbare Auslegung sollten möglichst vollständige Prozess- und Anschlussdaten übermittelt werden.

  • Medium und Wasserstoffkonzentration
  • gasförmiger oder flüssiger Zustand
  • Gasreinheit und mögliche Verunreinigungen
  • minimaler und maximaler Betriebsdruck
  • Prüf-, Fehler- und möglicher Spitzendruck
  • Druckzyklen und Druckänderungsgeschwindigkeit
  • Medien- und Umgebungstemperatur
  • gewünschte Druckreferenz
  • Genauigkeit und zulässige Langzeitdrift
  • geforderte Leckagerate und Prüfverfahren
  • Druckanschluss und vorhandene Gegenverschraubung
  • gewünschtes Ausgangssignal
  • Versorgungsspannung und elektrische Last
  • Ex-Zone und erforderliche Kennzeichnung
  • mobile oder stationäre Anwendung
  • UN-R134-, Fahrzeug-, SIL-, DNV- oder sonstige Anforderungen
  • gewünschtes Kalibrierzertifikat

Bei bestehenden Anlagen sind Fotos, Zeichnungen, Datenblätter des bisherigen Sensors und Angaben zur vorhandenen SPS besonders hilfreich.

Bei Ersatzsensoren sollte nicht nur das Gewinde verglichen werden. Auch Druckreferenz, Ausgangssignal, Steckerbelegung, Versorgung, Genauigkeit und Zulassung müssen übereinstimmen.

Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?

Die Kategorie H² Drucksensoren für Wasserstoffanwendungen enthält unterschiedliche Sensorlösungen für Speicher, Prüfstände, Brennstoffzellen, Wasserstoffproduktion und mobile Anwendungen.

Eine Übersicht über weitere Messgrößen und Lösungen bietet der Bereich Wasserstoff-Messtechnik. Dort werden neben der Druckmessung unter anderem Temperatur-, Durchfluss-, Füllstand-, Kraft- und Kalibrierlösungen für die Wasserstoff-Wertschöpfungskette behandelt.

Druck UNIK 5000H

Der UNIK 5000H wurde speziell für anspruchsvolle Wasserstoffanwendungen optimiert. Er ist für Messbereiche von 700 mbar bis 700 bar erhältlich und bietet je nach Ausführung mV-, Strom- und Spannungsausgänge.

Der Sensor eignet sich unter anderem für Wasserstoffspeicher, Brennstoffzellensysteme, Prüfstände und mobile Anwendungen. Für explosionsgefährdete Bereiche stehen entsprechende zertifizierte Varianten zur Verfügung.

Aufgrund seiner hohen Genauigkeit und schnellen Signalverarbeitung ist der UNIK 5000H besonders interessant, wenn neben der Medienverträglichkeit auch eine präzise oder dynamische Messung gefordert ist.

HT-H2-Serie

Die HT-H2-Serie bietet Messbereiche bis 1.000 bar und unterschiedliche Ausgangssignale wie 4–20 mA, 0–10 V, 0–5 V und 0,5–4,5 V ratiometrisch.

Abhängig von der Variante stehen verschiedene Prozessanschlüsse, elektrische Anschlüsse, eine ATEX-IIC-Ausführung und wasserstoffbezogene Zulassungsoptionen zur Verfügung.

Die Serie eignet sich dadurch sowohl für stationäre Speicher- und Produktionsanlagen als auch für OEM-, Brennstoffzellen- und Prüfstandsanwendungen.

IMP336

Der IMP336 ist ein verschweißter Industriedruckmessumformer für technische Gase und Wasserstoffanwendungen.

Er ist für Nenndrücke von 16 bis 1.000 bar erhältlich und besitzt medienberührte Komponenten aus einem für die Anwendung vorgesehenen Sonderedelstahl. Optional stehen Ex- und SIL-Ausführungen zur Verfügung.

Der IMP336 ist besonders interessant, wenn eine robuste, füllflüssigkeitsfreie beziehungsweise verschweißte Hochdruckkonstruktion mit 4–20-mA-Ausgang benötigt wird.

RPS/DPS8000H

Der RPS/DPS8000H ist für besonders präzise und langzeitstabile Messungen in wasserstoffreichen Medien ausgelegt.

Die resonante Sensortechnologie wird mit einer Wasserstoffbarriere kombiniert. Je nach Ausführung stehen digitale, Frequenz- und weitere Ausgangssignale zur Verfügung.

Der Sensor eignet sich insbesondere für Forschungs-, Entwicklungs- und Referenzprüfstände, bei denen eine sehr geringe Messabweichung und hohe Langzeitstabilität wichtiger sind als ein einfaches industrielles Standardsignal.

Weitere Hydrotechnik-Drucksensoren

In der Kategorie Hydrotechnik-Drucksensoren stehen zusätzliche Druckaufnehmer und Sensorbauformen für Prüfstände, mobile Messtechnik und industrielle Hochdruckanwendungen zur Verfügung.

Nicht jeder dort aufgeführte Sensor ist automatisch für Wasserstoff geeignet. Die Wasserstofffreigabe muss deshalb immer für das konkrete Modell, den Messbereich und die gewählte Anschlussausführung geprüft werden.

Elektrische Prüfung der Messkette

Für Sensoren mit 4–20-mA-Ausgang eignet sich der UPS4E Stromschleifen-Kalibrator zur Prüfung der Stromschleife, Versorgung, SPS-Skalierung und Fehlerdiagnose.

Für Spannungsausgänge kann ein geeigneter Prozesssignalkalibrator verwendet werden. Die elektrische Simulation ersetzt jedoch keine Druckkalibrierung oder Dichtheitsprüfung des Wasserstoffsystems.

ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auswahl anhand von Druckbereich, Temperatur, Druckzyklen, Werkstoffen, Anschluss, Ausgangssignal und erforderlichen Zulassungen. Bei Hochdruck- und Ex-Anwendungen sollte die vollständige Einbausituation möglichst bereits in der Anfrage dokumentiert werden.

Fazit: Ein Wasserstoff-Drucksensor muss als vollständige Druckgrenze bewertet werden

Bei Wasserstoffanwendungen reicht es nicht aus, einen allgemeinen Drucksensor mit passendem Messbereich und Edelstahlgehäuse auszuwählen. Entscheidend sind alle medienberührten Werkstoffe, die Konstruktion der Messzelle, das Dichtprinzip, der Druckanschluss und die zu erwartende Belastung über die gesamte Lebensdauer.

Wasserstoffversprödung und Permeation hängen von Werkstoff, Druck, Temperatur, mechanischer Spannung und Druckwechseln ab. Eine ausdrückliche Herstellerfreigabe für die konkrete Sensorausführung ist deshalb wesentlich aussagekräftiger als eine allgemeine Werkstoffangabe.

Bei Elastomerdichtungen müssen neben der chemischen Verträglichkeit auch Permeation und schnelle Druckentlastung berücksichtigt werden. Verschweißte oder metallisch dichtende Konstruktionen können die Zahl potenzieller Leckstellen reduzieren, stellen aber höhere Anforderungen an Montage und Gegenanschluss.

Messbereich, Betriebsdruck, Überlast und Berstdruck dürfen nicht miteinander verwechselt werden. Besonders bei Speicher-, Verdichter- und Prüfstandsanwendungen müssen Druckspitzen und die erwartete Zahl der Druckzyklen in die Auslegung einbezogen werden.

ATEX bestätigt den Explosionsschutz einer bestimmten Geräteausführung, nicht automatisch die Wasserstoffverträglichkeit der medienberührten Bauteile. Umgekehrt ersetzt eine Wasserstofffreigabe keine erforderliche ATEX- oder IECEx-Zulassung.

Die frühere EG-Verordnung 79/2009 ist nicht mehr in Kraft. Bei aktuellen Fahrzeugprojekten müssen die heute geltenden europäischen und internationalen Anforderungen, insbesondere die projektspezifische Anwendung der UN-Regelung Nr. 134, geprüft werden.

Erst wenn Medium, Druckprofil, Temperatur, Werkstoffe, Dichtheit, elektrische Schnittstelle und Zulassungen gemeinsam betrachtet werden, lässt sich ein dauerhaft zuverlässiger Wasserstoff-Drucksensor auswählen.

Häufige Fragen zu Wasserstoff-Drucksensoren

Kann jeder Edelstahldrucksensor für Wasserstoff verwendet werden?

Nein. Die allgemeine Angabe Edelstahl reicht nicht aus. Die konkrete Legierung, Messmembran, Schweißnähte, Dichtungen und internen medienberührten Bauteile müssen für die Wasserstoffanwendung freigegeben sein.

Was bedeutet wasserstoffkompatibel bei einem Drucksensor?

Die Bezeichnung sollte bedeuten, dass die medienberührte Konstruktion für definierte Wasserstoffbedingungen bewertet wurde. Messbereich, Temperatur, Druckzyklen und konkrete Geräteausführung bleiben dabei entscheidend.

Was ist Wasserstoffversprödung?

Wasserstoff kann in bestimmte Metalle eindringen und deren mechanische Eigenschaften beeinträchtigen. Unter ungünstigen Bedingungen können Duktilität und Ermüdungsfestigkeit sinken oder Risse entstehen.

Ist Edelstahl 316L grundsätzlich für Wasserstoff geeignet?

316L wird häufig in Wasserstoffanwendungen eingesetzt. Die Eignung hängt trotzdem von Druck, Temperatur, Bauteilgeometrie, Fertigung, Schweißnähten und Druckwechseln ab.

Was ist Wasserstoffpermeation?

Permeation bezeichnet das Durchdringen eines Werkstoffes durch Wasserstoff. Bei Drucksensoren kann dies beispielsweise eine Trennmembran oder Dichtung betreffen und langfristig die Messung oder Dichtheit beeinflussen.

Warum können ölgefüllte Messzellen problematisch sein?

Durch die Trennmembran permeierender Wasserstoff kann in die Füllflüssigkeit gelangen. Bei veränderten Druckbedingungen können Gasblasen entstehen und das Messverhalten beeinflussen.

Ist eine trockene Messzelle immer besser?

Nicht grundsätzlich. Sie vermeidet zwar eine interne Übertragungsflüssigkeit, muss aber hinsichtlich Werkstoff, Membranbelastung, Druckzyklen und Genauigkeit zur Anwendung passen.

Was ist eine Wasserstoffbarriere?

Eine spezielle Beschichtung oder Materialschicht kann die Permeation von Wasserstoff durch eine Trennmembran reduzieren. Die Wirkung ist modellspezifisch und muss durch den Hersteller qualifiziert sein.

Sind FKM-Dichtungen für Wasserstoff geeignet?

Das lässt sich nicht pauschal beantworten. Die konkrete Elastomermischung, Temperatur, Druck, Einbausituation und Entlastungsgeschwindigkeit müssen geprüft werden.

Was bedeutet explosive Dekompression?

In ein Elastomer eingedrungenes Gas kann sich bei schneller Druckentlastung ausdehnen. Dadurch können Blasen, Risse oder Ablösungen innerhalb der Dichtung entstehen.

Sind Metalldichtungen bei Wasserstoff besser?

Sie vermeiden die Permeation durch ein Elastomer und können für hohe Drücke vorteilhaft sein. Sie benötigen jedoch präzise Dichtflächen und eine fachgerechte Montage.

Was ist bei einem verschweißten Sensor zu beachten?

Eine verschweißte Messzelle reduziert interne Dichtstellen. Der äußere Prozessanschluss, die Schweißwerkstoffe und die Druckwechselbeständigkeit müssen trotzdem zur Anwendung passen.

Welcher Druckanschluss eignet sich für 700 bar Wasserstoff?

Das hängt von Sensor, Rohrleitungssystem, Dichtprinzip und geltenden Anforderungen ab. Der Anschluss muss als vollständige Kombination aus Sensor und Gegenverschraubung freigegeben sein.

Kann ein G1/4-Anschluss bei 1.000 bar verwendet werden?

Nur wenn die konkrete Sensor- und Gegenanschlussausführung ausdrücklich dafür ausgelegt ist. Die Gewindebezeichnung allein bestätigt keine 1.000-bar-Eignung.

Warum sollte man möglichst wenige Adapter verwenden?

Jeder Adapter erzeugt zusätzliche Dichtstellen, Totvolumen und mögliche Werkstoffübergänge. Dadurch steigen Leckage- und Montageaufwand.

Welchen Messbereich benötigt ein 700-bar-System?

Der erforderliche Bereich hängt vom maximalen Betriebs-, Füll-, Prüf- und Fehlerdruck ab. Ein Messbereich von exakt 700 bar ist nicht automatisch ausreichend.

Was ist der Unterschied zwischen Überlast- und Berstdruck?

Die Überlastgrenze beschreibt eine kurzzeitig zulässige Belastung ohne spezifizierte Messfunktion. Der Berstdruck ist eine noch höhere Sicherheitsgrenze der Druckhülle. Beide sind keine regulären Betriebsbereiche.

Kann ein hydraulischer 1.000-bar-Sensor für Wasserstoff eingesetzt werden?

Nicht ohne ausdrückliche Freigabe. Die Druckfestigkeit für Öl bestätigt weder die Wasserstoffverträglichkeit noch die erforderliche Leckdichtheit.

Warum sind Druckzyklen wichtig?

Jeder Druckwechsel belastet Membran, Druckanschluss und Schweißnähte. Eine hohe Zykluszahl kann die Lebensdauer bestimmen, obwohl der Nenndruck nicht überschritten wird.

Was ist bei schnellen Druckentlastungen zu beachten?

Sie belasten Dichtungen, Messmembran und interne Hohlräume. Außerdem können Temperaturänderungen und explosive Dekompression von Elastomeren auftreten.

Welche Genauigkeit benötigt ein Wasserstoff-Drucksensor?

Das hängt von der Messaufgabe ab. Eine Betriebsüberwachung benötigt häufig weniger Genauigkeit als ein Forschungs- oder Komponentenprüfstand.

Was bedeutet Genauigkeit nach BSL?

BSL beschreibt die Abweichung von einer mathematisch besten Geraden. Temperaturfehler, Nullpunkttoleranz und Langzeitdrift können zusätzlich auftreten.

Was ist ein Gesamtfehlerband?

Es fasst mehrere Fehleranteile über einen definierten Temperatur- und Druckbereich zusammen. Dadurch ist es häufig praxisnäher als eine reine Nichtlinearitätsangabe.

Ist 4–20 mA für Wasserstoffanlagen geeignet?

Ja. Das Signal ist robust und für längere Leitungen geeignet. Versorgungsspannung, Bürde und gegebenenfalls Ex-Trennbarrieren müssen richtig ausgelegt werden.

Wann ist ein 0–10-V-Ausgang sinnvoll?

Er eignet sich für Prüfstände und Steuerungen mit entsprechendem Spannungseingang. Massebezug, Leitungswiderstand und elektromagnetische Störungen müssen berücksichtigt werden.

Was bedeutet 0,5–4,5 V ratiometrisch?

Das Ausgangssignal steht in einem festen Verhältnis zur Versorgungsspannung. Es wird häufig in Fahrzeug- und OEM-Anwendungen eingesetzt und ermöglicht Diagnosebereiche unterhalb und oberhalb des normalen Signals.

Kann der UPS4E einen Wasserstoff-Drucksensor prüfen?

Der UPS4E kann die 4–20-mA-Stromschleife und den SPS-Eingang prüfen. Er erzeugt keinen Prüfdruck und bestätigt weder Dichtheit noch Wasserstoffverträglichkeit.

Benötigt jeder Wasserstoffsensor ATEX?

Nein. ATEX ist erforderlich, wenn das Gerät in einem entsprechend eingestuften explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt wird. Die Zoneneinteilung erfolgt im Rahmen des Explosionsschutzkonzeptes.

Welche Gasgruppe gilt für Wasserstoff?

Wasserstoff wird der Gasgruppe IIC zugeordnet. Ein ausschließlich für IIA oder IIB zugelassenes Gerät ist deshalb nicht automatisch geeignet.

Was bedeutet Ex ia?

Ex ia bezeichnet eine eigensichere Zündschutzart mit einem hohen Schutzniveau. Der vollständige Stromkreis einschließlich Trennbarriere und Kabel muss die Anforderungen erfüllen.

Beweist eine ATEX-Zulassung die Wasserstoffverträglichkeit?

Nein. ATEX bewertet den Explosionsschutz. Die Medienverträglichkeit von Membran, Druckanschluss und Dichtungen muss getrennt bestätigt werden.

Ist EC79 noch gültig?

Die Verordnung EG 79/2009 ist seit Juli 2022 nicht mehr in Kraft. Für neue Fahrzeugprojekte sind die aktuell geltenden europäischen und internationalen Regelungen zu prüfen.

Was ist UN R134?

UN R134 enthält sicherheitsbezogene Anforderungen für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und deren Wasserstoffspeichersysteme beziehungsweise Komponenten. Die benötigte Änderungsserie ist projektspezifisch zu klären.

Benötigt eine stationäre Wasserstoffanlage UN R134?

In der Regel ist UN R134 auf Fahrzeuganwendungen ausgerichtet. Bei stationären Anlagen sind andere Richtlinien, Normen und Betreiberanforderungen maßgeblich.

Ist ein SIL-Sensor automatisch Ex-geschützt?

Nein. SIL und Explosionsschutz sind getrennte Eigenschaften. Eine Geräteausführung kann eine, beide oder keine der beiden Anforderungen erfüllen.

Wie wird die Leckagerate eines Sensors angegeben?

Sie wird üblicherweise als Gasvolumenstrom unter definierten Prüfbedingungen angegeben. Prüfgas, Druck, Temperatur und Messverfahren müssen zusammen mit dem Wert genannt werden.

Kann eine Helium-Leckrate auf Wasserstoff übertragen werden?

Nicht ohne Weiteres. Eine Umrechnung erfordert definierte Randbedingungen und ein geeignetes physikalisches Modell.

Warum reicht eine Druckhalteprüfung häufig nicht aus?

Kleine Leckagen verändern den Druck eines größeren Volumens nur langsam. Temperatureinflüsse können die Druckänderung zusätzlich überdecken.

Kann ein Wasserstoff-Drucksensor mit Öl kalibriert werden?

Das hängt von der Sensorfreigabe und den Reinheitsanforderungen des späteren Prozesses ab. Eine Kontamination der Wasserstoffanlage muss ausgeschlossen werden.

Wie häufig sollte ein Wasserstoff-Drucksensor kalibriert werden?

Das Intervall richtet sich nach Genauigkeitsanforderung, Druckzyklen, Sicherheitsfunktion, Temperaturbelastung und Betriebserfahrung.

Was kann eine zunehmende Nullpunktdrift verursachen?

Mögliche Ursachen sind Überlast, mechanische Spannung, Alterung, Permeation, Temperaturbelastung oder eine beschädigte Messmembran.

Welche Informationen sind für eine Produktauswahl am wichtigsten?

Benötigt werden Medium, Druckprofil, Temperatur, Druckzyklen, Druckanschluss, Leckagerate, Ausgangssignal, Ex-Zone und erforderliche Zulassungen.

Welcher Sensor eignet sich für Wasserstoff bis 700 bar?

Je nach Genauigkeit, Ausgangssignal und Zulassung kann beispielsweise der UNIK 5000H oder eine entsprechende HT-H2-Ausführung geeignet sein. Die konkrete Konfiguration muss anhand der Anwendung geprüft werden.

Welcher Sensor eignet sich für Wasserstoff bis 1.000 bar?

Für solche Anwendungen kommen beispielsweise geeignete Varianten der HT-H2-Serie oder des IMP336 infrage. Anschluss, Druckzyklen, Temperatur und Zulassungen müssen modellspezifisch bestätigt werden.

Welcher Sensor eignet sich für hochpräzise Wasserstoffprüfstände?

Der RPS/DPS8000H ist für hochpräzise und langzeitstabile Messungen in wasserstoffreichen Medien vorgesehen. Messbereich, Schnittstelle und Einbau müssen dennoch zur Prüfaufgabe passen.

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