Ein Wasserstoff-Drucksensor besitzt einen Messbereich von 0 ... 400 bar und wird in einer Anwendung betrieben, in der der Druck regelmäßig zwischen 30 bar und 350 bar wechselt. Der maximale Betriebsdruck liegt damit deutlich innerhalb des Messbereiches. Trotzdem stellt sich bei einem Prüfstand, einer Wasserstofftankstelle oder einem zyklisch betriebenen Brennstoffzellensystem eine zusätzliche Frage: Wie wirkt sich diese Belastung aus, wenn sie nicht nur einige hundert Mal, sondern hunderttausende oder Millionen Mal auftritt?
Für diese Bewertung reicht der maximale Druck allein nicht aus. Die metallische Messmembran eines Drucksensors wird bei jedem Druckanstieg elastisch verformt und bei jeder Druckentlastung wieder zurückgestellt. Wiederholt sich dieser Vorgang sehr häufig, entsteht eine zyklische mechanische Belastung. Wie kritisch sie ist, hängt unter anderem von Druckamplitude, Mittelwert, Anzahl der Lastwechsel, Membrangeometrie, Werkstoff und Temperatur ab.
Bei Wasserstoff kommt eine weitere Einflussgröße hinzu. Wasserstoff kann in bestimmte metallische Werkstoffe eindringen und deren Eigenschaften beeinflussen. Bei Drucksensoren sind insbesondere dünne metallische Trennmembranen relevant. Wasserstoffpermeation kann langfristig das Messverhalten beeinflussen, während eine ungeeignete Werkstoffkombination die Empfindlichkeit gegenüber Versprödung und Rissbildung erhöhen kann.
Für eine dynamische Wasserstoff-Druckmessung sollte deshalb nicht nur gefragt werden: „Wie hoch ist der maximale Druck?“, sondern auch: „Zwischen welchen Drücken wird gewechselt, wie häufig geschieht dies und ist die konkrete Messzelle für Wasserstoff und diese zyklische Belastung geeignet?“
Warum sind viele Druckwechsel anders zu bewerten als konstanter Druck?
Bei einem statischen Druck wird die Messmembran belastet und verbleibt weitgehend in einem konstanten mechanischen Zustand. Bei einem zyklischen Prozess wird sie dagegen fortlaufend verformt und wieder entlastet. Jeder Druckzyklus erzeugt damit einen Lastwechsel innerhalb des metallischen Bauteils.
Die reine Einhaltung des zulässigen Maximaldrucks sagt noch nicht vollständig aus, wie sich die Messzelle unter einer sehr hohen Zahl solcher Lastwechsel verhält. Ein Sensor kann beispielsweise in einer Speicheranwendung über Jahre nahezu konstant bei 300 bar betrieben werden, während ein identisches Gerät auf einem Komponentenprüfstand innerhalb kurzer Zeit Millionen Druckwechsel durchläuft. Obwohl in beiden Anwendungen derselbe Maximaldruck auftreten kann, unterscheiden sich die mechanischen Beanspruchungen deutlich.
| Betriebszustand | Belastung der Messmembran | Besonders relevant |
|---|---|---|
| Weitgehend konstanter Druck | Überwiegend statische Belastung | Maximaldruck, Temperatur, Wasserstoffverträglichkeit |
| Langsame regelmäßige Druckwechsel | Zyklische Verformung | Druckamplitude und Zahl der Lastwechsel |
| Schnelle Druckpulsationen | Viele Lastwechsel in kurzer Zeit | Dynamik, Frequenz und Membranbelastung |
| Zusätzliche Druckspitzen | Hohe kurzzeitige Beanspruchung | Überlastfestigkeit und tatsächlicher Spitzendruck |
Was bedeutet Ermüdung der Messmembran?
Metallische Bauteile können durch wiederholte mechanische Belastung ermüden. Entscheidend ist dabei nicht ausschließlich, ob ein einzelner Belastungszustand unterhalb der unmittelbaren Bruchgrenze liegt. Eine sehr große Zahl wiederkehrender Spannungsänderungen kann langfristig Materialveränderungen und unter ungünstigen Bedingungen Rissbildung begünstigen.
Bei einer Druckmesszelle betrifft dies insbesondere die dünnen und bewusst elastisch ausgelegten Bereiche der Membran. Sie müssen ausreichend flexibel sein, um den Prozessdruck messtechnisch erfassen zu können, gleichzeitig aber über die geplante Nutzungsdauer mechanisch stabil bleiben. Membrandicke, Geometrie, Werkstoff, Fügestellen und die tatsächlich auftretende Druckbelastung bilden deshalb ein Gesamtsystem.
Aus dem normalen Messbereich lässt sich keine universelle zulässige Zyklenzahl ableiten. Benötigt eine Anwendung beispielsweise eine nachgewiesene Lebensdauer von mehreren Millionen Voll- oder Teillastzyklen, sollte diese Anforderung bereits bei der Geräteauswahl genannt und anhand der konkreten Sensorausführung mit dem Hersteller abgestimmt werden.
Warum ist die Druckamplitude entscheidend?
Für eine zyklische Belastung ist nicht nur der höchste Druck wichtig, sondern auch die Differenz zwischen niedrigstem und höchstem Druck eines Zyklus. Ein Sensor, der ständig zwischen 290 bar und 310 bar wechselt, erfährt eine andere zyklische Belastung als ein Sensor, der bei gleichem Maximaldruck regelmäßig zwischen 10 bar und 310 bar gefahren wird.
Für die Spezifikation einer solchen Messstelle sollten deshalb mindestens Minimaldruck, Maximaldruck und erwartete Zahl der Druckwechsel bekannt sein. Bei schnellen Prüfständen kommen zusätzlich Zyklusfrequenz und Druckanstiegsgeschwindigkeit hinzu. Auch einzelne außerplanmäßige Überdruckereignisse sollten separat betrachtet werden.
| Prozessgröße | Beispiel | Bedeutung |
|---|---|---|
| Minimaldruck | 30 bar |
Unterer Belastungspunkt des Zyklus |
| Maximaldruck | 350 bar |
Oberer Belastungspunkt |
| Druckamplitude | 320 bar zwischen Minimum und Maximum |
Maß für die Größe des wiederkehrenden Druckwechsels |
| Zyklusfrequenz | z. B. 1 Hz |
Bestimmt, wie schnell sich eine hohe Zyklenzahl aufbaut |
| Geplante Zyklenzahl | z. B. mehrere Millionen | Wichtige Lebensdaueranforderung an die Messstelle |
Ein Prüfstand mit einem Zyklus pro Sekunde erreicht bereits innerhalb von 1.000 Betriebsstunden rund 3,6 Millionen Lastwechsel. Eine scheinbar moderate Versuchsdauer kann mechanisch somit einer sehr hohen Zahl von Druckbeanspruchungen entsprechen.
Welchen zusätzlichen Einfluss hat Wasserstoff?
Wasserstoff stellt an metallische Messzellen zusätzliche Anforderungen. Aufgrund seiner sehr kleinen Molekülgröße beziehungsweise der Wechselwirkung von atomarem Wasserstoff mit metallischen Werkstoffen kann Wasserstoff in Werkstoffe eindringen. Je nach Material, Druck, Temperatur und Expositionsdauer können Permeation und Wasserstoffversprödung relevant werden.
Bei einem Drucksensor kann Wasserstoffpermeation durch eine dünne Trennmembran langfristig die Stabilität des Messsystems beeinflussen. Gleichzeitig muss der Werkstoff der drucktragenden beziehungsweise elastisch belasteten Bauteile so gewählt werden, dass seine Eigenschaften im vorgesehenen Wasserstoffbetrieb erhalten bleiben. Gerade bei vielen Lastwechseln dürfen Wasserstoffverträglichkeit und mechanische Ermüdung deshalb nicht vollkommen getrennt voneinander betrachtet werden.
Wie stark diese Effekte auftreten, hängt erheblich von der konkreten Messzellenkonstruktion ab. Deshalb ist die Aussage „Edelstahl ist wasserstoffbeständig“ für eine qualifizierte Sensorauswahl zu pauschal. Legierung, Materialzustand, Membrandicke, Beschichtung, Fügeverfahren und konkrete Druckbedingungen sind entscheidend.
Welche Rolle spielen Membranwerkstoff und Beschichtung?
Hersteller wasserstoffgeeigneter Drucksensoren verwenden unterschiedliche konstruktive Strategien. Eine Möglichkeit sind besonders geeignete Legierungen mit hoher Beständigkeit gegenüber Wasserstoffeinfluss und hoher mechanischer Ermüdungsfestigkeit. Beim WIKA MH-3-HY wird beispielsweise eine metallische Dünnfilm-Messzelle mit einem für Wasserstoff geeigneten Sonderwerkstoff eingesetzt.
Eine andere Strategie besteht darin, die Permeation durch die metallische Trennmembran mit einer zusätzlichen Barriereschicht zu reduzieren. Der Druck UNIK5000H verwendet eine speziell für Wasserstoff optimierte Trennmembran mit Barriereschicht und wasserstoffkompatiblen medienberührten Komponenten. Dadurch soll insbesondere der langfristige Einfluss von Wasserstoff auf die Messzelle reduziert werden.
Welche Lösung geeigneter ist, hängt von der Anwendung ab. Ein Fahrzeug, ein Elektrolyseur, ein Laborprüfstand und eine 700-bar-Betankungsanlage stellen unterschiedliche Anforderungen an Druckbereich, Genauigkeit, Temperatur, elektrische Schnittstellen, Baugröße und nachzuweisende Lebensdauer.
Messbereich, Überdruck und Dauerfestigkeit unterscheiden
Drei Angaben werden bei dynamischen Anwendungen häufig miteinander verwechselt: Messbereich, Überdruckfestigkeit und zulässige zyklische Belastung. Der Messbereich beschreibt den Bereich, in dem der Sensor seinen spezifizierten Messwert liefern soll. Die Überdruckfestigkeit beschreibt einen höheren Druck, den das Gerät unter den vom Hersteller angegebenen Bedingungen ohne unmittelbare Beschädigung verkraftet.
Aus einer beispielsweise zweifachen Überdruckfestigkeit folgt jedoch nicht automatisch, dass dieser Druck millionenfach als normaler Betriebspunkt angefahren werden darf. Eine Überlastangabe ist deshalb kein Ersatz für eine Bewertung der zyklischen Lebensdauer. Gerade bei hochdynamischen Wasserstoffprüfständen sollte die spezifizierte Lastkollektiv-Anforderung mit der konkreten Sensorausführung abgeglichen werden.
| Angabe | Was sie beschreibt | Was daraus nicht automatisch folgt |
|---|---|---|
| Messbereich | Spezifizierter Bereich der Druckmessung | Keine Aussage über beliebig viele Vollbereichszyklen |
| Überdruckfestigkeit | Zulässige kurzzeitige Druckbelastung nach Herstellerspezifikation | Keine automatische Dauerfreigabe für diesen Druck |
| Berstdruck | Druckgrenze mit Bezug auf strukturelles Versagen | Kein normaler Betriebsbereich |
| Zyklische Lebensdauer | Verhalten bei wiederholter Druckbelastung | Muss für das konkrete Lastprofil bewertet werden |
Frequenz und Geschwindigkeit der Druckwechsel berücksichtigen
Neben der Druckamplitude kann auch die zeitliche Dynamik relevant sein. Ein langsamer Druckwechsel alle zehn Minuten unterscheidet sich von einem Prüfstand, der mehrmals pro Sekunde zwischen zwei Druckniveaus wechselt. Bei hohen Frequenzen steigen nicht nur die Zyklenzahlen besonders schnell, sondern auch Anforderungen an die dynamische Messfähigkeit des Sensors und der nachgeschalteten Datenerfassung.
Die Messkette muss ausreichend schnell sein, wenn nicht nur der maximale und minimale Druck, sondern auch der tatsächliche zeitliche Druckverlauf untersucht werden soll. Ein Sensor mit geringer Bandbreite oder eine stark gefilterte SPS kann schnelle Druckspitzen übersehen, obwohl diese die Membran mechanisch erreichen.
Zusätzlich können schnelle Ventilschaltungen oder sehr kurze Füllvorgänge Druckspitzen erzeugen, die deutlich oberhalb des erwarteten stationären Druckes liegen. Für eine Lebensdauerbetrachtung sollte deshalb nach Möglichkeit das reale Druckprofil untersucht werden und nicht nur Sollwert und nomineller Systemdruck.
Praxisbeispiel: zyklischer Wasserstoff-Prüfstand
Auf einem Komponentenprüfstand wird Wasserstoffdruck wiederholt von 30 bar auf 350 bar erhöht und anschließend wieder abgesenkt. Der eingesetzte Drucksensor besitzt einen Messbereich von 0 ... 400 bar. Rein vom Messbereich betrachtet erscheint die Auswahl zunächst plausibel.
Der Prüfstand fährt jedoch einen vollständigen Lastwechsel pro Sekunde. Nach 1.000 Betriebsstunden hat die Messmembran damit ungefähr 3,6 Millionen Druckzyklen erlebt. Zusätzlich treten beim Umschalten der Ventile kurze Druckspitzen auf, die im langsamen Prüfstandsprotokoll kaum sichtbar sind.
Für eine zuverlässige Bewertung reicht daher die Information „maximal 350 bar Wasserstoff“ nicht aus. Die Geräteauswahl muss zusätzlich berücksichtigen, dass eine sehr große Druckamplitude millionenfach wiederholt wird. Außerdem müssen Werkstoff und Messzellenkonstruktion für den dauerhaften Kontakt mit Wasserstoff geeignet sein.
Wird die Messstelle später durch einen Sensor ersetzt, der zwar ebenfalls bis 400 bar misst, aber lediglich für allgemeine Hydraulikmedien ausgewählt wurde, kann seine gleiche Druckbereichsangabe daher nicht als Nachweis für die gleiche Eignung im Wasserstoff-Prüfstand betrachtet werden.
Das Lastprofil gehört damit genauso zur Spezifikation der Druckmessstelle wie Messbereich, Medium und Temperatur.
Wie können beginnende Veränderungen erkannt werden?
Mechanische oder durch Wasserstoff beeinflusste Veränderungen einer Messzelle müssen nicht unmittelbar als vollständiger Sensorausfall auftreten. Ein erster Hinweis kann beispielsweise eine zunehmende Nullpunktverschiebung, veränderte Wiederholbarkeit oder eine langsam zunehmende Abweichung gegenüber einer Referenz sein.
Bei stark zyklisch belasteten Prüfständen kann deshalb eine regelmäßige Vergleichsprüfung sinnvoll sein. Werden Nullpunkt und mehrere Druckpunkte in definierten Intervallen mit einer ausreichend genauen Referenz kontrolliert, lassen sich Trends erkennen, bevor eine Messstelle offensichtlich ausfällt.
Auch die Dichtheit gehört zur Überwachung. Bei Wasserstoff ist aufgrund der hohen Diffusionsneigung bereits eine geringe Veränderung der Dichtstelle beziehungsweise eines drucktragenden Bauteils relevant. Auffällige Drift, ungewöhnliches dynamisches Verhalten oder eine erkennbare Leckage sollten deshalb nicht lediglich durch eine neue Nullpunktkorrektur kompensiert werden.
Wasserstoff-Drucksensor systematisch auslegen
- Medium eindeutig spezifizieren: Wasserstoffgehalt, Gasqualität und mögliche Begleitstoffe angeben.
- Minimalen und maximalen Betriebsdruck festlegen: Nicht nur den nominellen Systemdruck nennen.
- Druckamplitude des normalen Lastzyklus bestimmen.
- Erwartete Zahl der Lastwechsel über die geplante Nutzungsdauer abschätzen.
- Zyklusfrequenz und Druckanstiegs- beziehungsweise Druckabfallgeschwindigkeit berücksichtigen.
- Zusätzliche Druckstöße und außergewöhnliche Betriebszustände untersuchen.
- Eine ausdrücklich für Wasserstoff geeignete Messzellen- und Werkstoffausführung auswählen.
- Bei hohen geforderten Zyklenzahlen die Eignung für das konkrete Lastprofil mit dem Hersteller abstimmen.
- Messbereich, Überdruckfestigkeit und erforderliche Messdynamik getrennt prüfen.
- Für kritische Prüfstände regelmäßige Vergleichs- beziehungsweise Kalibrierprüfungen vorsehen.
Häufige Fehler
- Nur den maximalen Druck angeben: Bei stark zyklischen Anwendungen fehlen damit Druckamplitude und Zyklenzahl als wesentliche Auslegungsdaten.
- Überdruckfestigkeit mit Dauerfestigkeit verwechseln: Ein Sensor darf nicht allein aufgrund seiner Überlastangabe millionenfach mit diesem Druck beaufschlagt werden.
- Einen normalen Edelstahlsensor automatisch für Wasserstoff einsetzen: Die Eignung hängt von konkretem Werkstoff und Messzellenaufbau ab.
- Druckspitzen nicht erfassen: Eine langsame SPS-Aufzeichnung kann kurze, mechanisch relevante Spitzen übersehen.
- Nur Betriebsstunden dokumentieren: Bei einem zyklischen Prüfstand ist die Zahl der Druckwechsel häufig aussagekräftiger.
- Nullpunktdrift einfach nachjustieren: Eine zunehmende Drift kann ein Hinweis auf Veränderungen der Messzelle sein und sollte zunächst untersucht werden.
- Sensor ausschließlich nach Messbereich auswählen: Wasserstoffverträglichkeit, Temperatur, Dynamik, Anschlüsse und Lastprofil gehören ebenfalls zur Auswahl.
Drucksensoren für Wasserstoffanwendungen
Für dynamische Wasserstoffanwendungen sollte ein Drucksensor verwendet werden, dessen medienberührte Messzelle ausdrücklich für Wasserstoff ausgelegt ist. Ein konkretes Beispiel ist der WIKA MH-3-HY. Der kompakte OEM-Drucksensor ist für Wasserstoff-Druckmessungen konzipiert und eignet sich insbesondere für Brennstoffzellen- und mobile H₂-Anwendungen. Die Messzellenkonstruktion verwendet einen für Wasserstoff geeigneten metallischen Werkstoff mit hoher Ermüdungsfestigkeit.
Für industrielle Prüfstände, Wasserstoffproduktion, Rohrleitungsnetze oder Tankstellen ist der Druck UNIK5000H eine weitere speziell auf Wasserstoff ausgelegte Lösung. Er ist mit Messbereichen von 700 mbar bis 700 bar verfügbar. Wasserstoffkompatible medienberührte Werkstoffe und eine optimierte Barriereschicht der Trennmembran reduzieren den Einfluss der Wasserstoffpermeation.
Welche Ausführung für eine zyklische Anwendung geeignet ist, lässt sich jedoch nicht allein aus dem Produktnamen oder Messbereich ableiten. Bei einer spezifizierten Lebensdauer von beispielsweise mehreren Millionen Druckzyklen sollten Minimaldruck, Maximaldruck, Temperatur, Frequenz und erwartete Gesamtzyklenzahl bereits bei der Anfrage genannt werden.
Passende Komponenten finden Sie unter H² Wasserstoff-Anwendungen bei ICS Schneider sowie speziell unter H² Drucksensoren. Weitere Informationen finden Sie beim WIKA MH-3-HY und beim Druck UNIK5000H.
Fazit
Bei einer Wasserstoff-Druckmessung mit sehr vielen Lastzyklen reicht es nicht aus, einen Sensor ausschließlich anhand des maximalen Prozessdruckes auszuwählen. Jeder Druckwechsel verformt die Messmembran erneut. Bei hunderttausenden oder Millionen Zyklen wird deshalb die mechanische Ermüdungsfestigkeit der Messzelle zu einem wichtigen Auswahlkriterium.
Entscheidend ist dabei nicht nur der Maximaldruck. Auch Minimaldruck, Druckamplitude, Zyklusfrequenz, tatsächliche Zyklenzahl und zusätzliche Druckspitzen bestimmen die Belastung. Messbereich und Überdruckfestigkeit ersetzen keine Bewertung des zyklischen Lastprofils.
Wasserstoff verschärft die Anforderungen zusätzlich. Permeation und Wasserstoffversprödung können abhängig von Werkstoff und Messzellenkonstruktion die Langzeitstabilität beeinflussen. Deshalb sollten ausdrücklich für Wasserstoff entwickelte Sensoren mit geeigneten Membranwerkstoffen beziehungsweise Barriereschichten eingesetzt werden.
Für eine zuverlässige H₂-Druckmessstelle gilt somit: Wasserstoffverträglichkeit und Druckwechselbeständigkeit gemeinsam betrachten, das reale Lastprofil statt nur des Maximaldruckes spezifizieren und bei hohen geforderten Zyklenzahlen die konkrete Messzellenausführung einschließlich Werkstoff, Überlastgrenzen und erwarteter Lebensdauer prüfen.
FAQ: Wasserstoff-Druckmessung bei vielen Lastzyklen
Warum sind viele Druckwechsel für einen Drucksensor relevant?
Bei jedem Druckwechsel wird die Messmembran mechanisch verformt und wieder entlastet. Bei einer sehr hohen Zahl solcher Lastwechsel kann die Ermüdungsbeanspruchung des metallischen Messsystems relevant werden.
Reicht es aus, wenn der maximale Druck innerhalb des Messbereiches liegt?
Nein. Für stark zyklische Anwendungen müssen zusätzlich Minimaldruck, Druckamplitude, Zahl der Lastwechsel, Zyklusfrequenz und mögliche Druckspitzen betrachtet werden.
Ist Überdruckfestigkeit dasselbe wie Lastwechselbeständigkeit?
Nein. Die Überdruckfestigkeit beschreibt eine zulässige Druckbelastung nach den Bedingungen des Herstellers. Daraus lässt sich nicht automatisch ableiten, dass dieser Druck beliebig oft zyklisch angefahren werden darf.
Warum ist Wasserstoff für die Messmembran besonders anspruchsvoll?
Wasserstoff kann in bestimmte metallische Werkstoffe eindringen. Dadurch können unter anderem Permeation und Wasserstoffversprödung relevant werden. Dünne metallische Trennmembranen von Drucksensoren benötigen deshalb eine entsprechend geeignete Werkstoff- und Konstruktionsauswahl.
Welche Angaben sollte man für einen zyklischen Wasserstoff-Prüfstand machen?
Wichtig sind Wasserstoffqualität, Minimaldruck, Maximaldruck, erwartete Druckspitzen, Temperatur, Zyklusfrequenz, Druckanstiegszeit und die geplante Gesamtzahl der Druckzyklen.
Kann ein 0…400-bar-Sensor automatisch Millionen Zyklen zwischen 0 und 350 bar verkraften?
Das lässt sich aus dem Messbereich allein nicht ableiten. Eine geforderte hohe Zyklenzahl sollte anhand der konkreten Messzelle und des tatsächlichen Lastprofils geprüft werden.
Welche Hinweise können auf eine Veränderung der Messzelle hindeuten?
Mögliche Hinweise sind zunehmende Nullpunktdrift, veränderte Wiederholbarkeit, Abweichungen gegenüber einer Referenz oder auffälliges dynamisches Messverhalten. Solche Veränderungen sollten untersucht und nicht lediglich nachjustiert werden.
Welcher konkrete Drucksensor eignet sich für Wasserstoff?
Ein Beispiel ist der WIKA MH-3-HY, der speziell für Wasserstoff-Druckmessungen entwickelt wurde. Für industrielle Wasserstoffanwendungen steht außerdem der Druck UNIK5000H mit wasserstoffkompatiblen Werkstoffen und optimierter Barriereschicht der Trennmembran zur Verfügung.
Warum sollte die Zyklenzahl bei Prüfständen dokumentiert werden?
Ein Prüfstand kann innerhalb vergleichsweise kurzer Betriebszeit mehrere Millionen Lastwechsel erzeugen. Die reine Angabe der Betriebsstunden beschreibt die mechanische Beanspruchung der Messmembran deshalb nur unvollständig.
Wie lässt sich die Lebensdauer eines Wasserstoff-Drucksensors erhöhen?
Entscheidend sind eine für Wasserstoff geeignete Messzellenkonstruktion, ein zum realen Lastprofil passender Druckbereich, die Vermeidung unnötiger Druckspitzen und eine Geräteauswahl, bei der die geplante Zahl der Lastwechsel bereits berücksichtigt wurde.