Bei der Fehlersuche an Hydraulikanlagen reicht es häufig nicht aus, lediglich den statischen Betriebsdruck zu kennen. Beim Schalten von Ventilen, beim Abbremsen von Zylindern, bei Pumpenpulsationen oder beim schnellen Ändern einer Last können sehr kurze Druckspitzen auftreten. Solche Ereignisse können nur wenige Millisekunden dauern und deutlich höher sein als der normale Betriebsdruck.
Für mobile Messungen wird ein Drucksensor häufig über einen MINIMESS-Testpunkt und einen Mikrobohrschlauch an die Hydraulikanlage angeschlossen. Dieser Aufbau ist praktisch: Der Sensor kann außerhalb eines schlecht zugänglichen oder stark vibrierenden Maschinenbereichs positioniert werden, und die Messstelle lässt sich ohne umfangreichen Umbau der Hydraulik nutzen.
Bei schnellen Druckverläufen besitzt diese komfortable Messanordnung jedoch eine wichtige Besonderheit: Der Mikrobohrschlauch überträgt das Drucksignal nicht unter allen Bedingungen unverändert vom Hydraulikblock zum Sensor.
Schlauchlänge, Innendurchmesser, eingeschlossenes Flüssigkeitsvolumen, Ölviskosität, Schlauchelasticität, Totvolumen von Adaptern und insbesondere eingeschlossene Luft bestimmen gemeinsam das dynamische Verhalten. Bei einer vereinfachten Betrachtung kann die Messleitung wie ein hydraulischer Tiefpass wirken: Langsame Druckänderungen werden nahezu vollständig übertragen, während schnelle Signalanteile gedämpft und zeitlich verschoben werden.
Für sehr schnelle Vorgänge reicht dieses einfache Tiefpassmodell allerdings nicht mehr aus. Die Flüssigkeit besitzt eine Masse, Druckwellen benötigen eine endliche Zeit zur Ausbreitung und die gesamte Verbindung kann Eigenfrequenzen besitzen. Dadurch sind neben Dämpfung auch Phasenverschiebungen, Nachschwingen und Resonanzeffekte möglich.
Die zentrale Aussage lautet deshalb: Ein Mikrobohrschlauch ist bei einer dynamischen Druckmessung Teil des Messsystems. Nicht nur Drucksensor und Datenlogger bestimmen, welche Druckspitze aufgezeichnet wird, sondern auch die hydraulische Verbindung zwischen Prozess und Sensor.
Inhaltsverzeichnis
- 1. Prozessdruck und gemessenen Sensordruck unterscheiden
- 2. Warum der Mikrobohrschlauch ein hydraulisches Übertragungssystem bildet
- 3. Wann die Messleitung vereinfacht als Tiefpass betrachtet werden kann
- 4. Wie die Schlauchlänge die Messdynamik beeinflusst
- 5. Warum DN2 und DN4 dynamisch unterschiedlich reagieren
- 6. Warum ein realer Schlauch kein idealer Tiefpass ist
- 7. Eingeschlossene Luft als besonders kritischer Einfluss
- 8. Ölviskosität und Temperatur berücksichtigen
- 9. Kupplungen, Adapter und Totvolumen nicht vergessen
- 10. Drucksensor, Messbereich und Bandbreite richtig auswählen
- 11. Warum eine hohe Abtastrate allein nicht genügt
- 12. Die dynamische Messkette praktisch überprüfen
- 13. DN2 und DN4: Herstellerdaten richtig interpretieren
- 14. Druck-, Temperatur- und Sicherheitsgrenzen beachten
- 15. Messaufbau nach Messziel auswählen
- 16. Passende MINIMESS- und Messtechnik von ICS Schneider
- 17. Fazit
- 18. Häufige Fragen zu dynamischen Druckmessungen über Mikrobohrschläuche
1. Prozessdruck und gemessenen Sensordruck unterscheiden
Bei einer direkten Druckmessung sitzt die Sensormembran möglichst nahe an der Stelle, an der der zu untersuchende Druckverlauf entsteht. Zwischen Prozess und Sensor befinden sich dann nur kleine hydraulische Volumina.
Wird der Sensor dagegen über einen Mikrobohrschlauch angeschlossen, existieren zwei verschiedene Orte: die eigentliche Prozessmessstelle und der Drucksensor am Ende der Leitung.
Bei einem langsam veränderlichen Druck stellt sich nach ausreichender Zeit praktisch ein Druckgleichgewicht ein. Der Sensor kann dann denselben statischen Druck anzeigen, der auch am MINIMESS-Testpunkt anliegt.
Bei schnellen Vorgängen ist dies nicht automatisch der Fall. Eine kurzzeitige Druckänderung muss zunächst über die Flüssigkeitssäule, den Schlauch und sämtliche Verbindungsvolumina bis zur Sensormembran übertragen werden.
Der für die Diagnose entscheidende Unterschied lautet daher:
pProzess(t) ist nicht unter allen dynamischen Bedingungen identisch mit pSensor(t).
Das bedeutet nicht, dass der Drucksensor falsch misst. Er kann den an seiner Membran tatsächlich anliegenden Druck sehr genau erfassen. Dieser Druck kann durch die vorgeschaltete hydraulische Messleitung jedoch bereits gegenüber dem ursprünglichen Prozesssignal verändert worden sein.
2. Warum der Mikrobohrschlauch ein hydraulisches Übertragungssystem bildet
Eine dynamische Druckmessleitung besitzt mehrere physikalische Eigenschaften gleichzeitig.
Die Flüssigkeit im Schlauch hat eine endliche Kompressibilität. Auch Hydrauliköl ist nicht vollkommen inkompressibel. Zusätzlich dehnt sich eine flexible Schlauchwand unter Druck geringfügig aus.
Gleichzeitig besitzt die Flüssigkeitssäule eine Masse. Wird der Druck am Eingang sehr schnell verändert, muss diese Flüssigkeit beschleunigt beziehungsweise geringfügig verschoben werden. Der kleine Querschnitt des Schlauches erzeugt dabei einen hydraulischen Strömungswiderstand.
Vereinfacht lassen sich drei grundlegende Eigenschaften unterscheiden:
| Hydraulische Eigenschaft | Physikalische Ursache | Auswirkung auf die Druckmessung |
|---|---|---|
| Widerstand R | Viskose Strömungsverluste im kleinen Querschnitt | Dämpfung und Verzögerung schneller Druckänderungen |
| Compliance C | Kompressibilität der Flüssigkeit, Schlauchelastizität, Totvolumen und Luft | Speicherung beziehungsweise Aufnahme eines kleinen Flüssigkeitsvolumens bei Druckänderung |
| Fluidträgheit I | Masse der Flüssigkeitssäule | Phasenverschiebung, Eigenfrequenz und mögliches Schwingungsverhalten |
Zusammen bilden diese Eigenschaften ein hydraulisches Übertragungssystem.
Für langsame Vorgänge können Fluidträgheit und Wellenausbreitung häufig vernachlässigt werden. Dann ist die Tiefpassvorstellung sehr hilfreich. Bei schnellen Druckstößen oder pulsierenden Signalen muss dagegen die vollständige Dynamik betrachtet werden.
3. Wann die Messleitung vereinfacht als Tiefpass betrachtet werden kann
Der hydraulische Widerstand einer langen und engen Leitung lässt sich für eine idealisierte laminare Strömung näherungsweise mit der Hagen-Poiseuille-Beziehung beschreiben:
Rhyd = 128 · μ · L / (π · d4)
Dabei bedeuten:
- μ = dynamische Viskosität des Mediums,
- L = Leitungslänge,
- d = Innendurchmesser.
Diese Gleichung beschreibt nicht vollständig die dynamische Druckübertragung eines realen Mikrobohrschlauches. Sie zeigt jedoch sehr deutlich, wie stark der hydraulische Widerstand vom Innendurchmesser abhängen kann.
Das eingeschlossene Flüssigkeitsvolumen beträgt näherungsweise:
V = π · d2 / 4 · L
Die hydraulische Compliance der Flüssigkeit kann vereinfacht aus Volumen und Kompressionsmodul abgeleitet werden. Hinzu kommen die Elastizität des Schlauches, das Volumen im Sensoranschluss und gegebenenfalls eingeschlossene Gasvolumina.
In einer stark vereinfachten Betrachtung kann die Zeitkonstante deshalb als:
τ ≈ R · C
interpretiert werden.
Für ein ideales System erster Ordnung wäre die zugehörige Grenzfrequenz näherungsweise:
fc ≈ 1 / (2 · π · R · C)
Diese Formel ist für einen realen MINIMESS-Schlauch keine universell gültige Herstellerformel. Sie dient dazu, den grundlegenden Zusammenhang zu verstehen:
Je größer Widerstand und hydraulische Nachgiebigkeit werden, desto stärker können schnelle Signalanteile abgeschwächt werden.
Langsame Druckänderungen liegen unterhalb dieses dynamisch kritischen Bereichs und erreichen den Sensor nahezu vollständig. Sehr schnelle Druckänderungen können dagegen geglättet erscheinen.
4. Wie die Schlauchlänge die Messdynamik beeinflusst
Eine größere Schlauchlänge verändert mehrere Größen gleichzeitig.
Zunächst steigt der hydraulische Widerstand ungefähr proportional mit der Länge. Gleichzeitig steigt das eingeschlossene Flüssigkeitsvolumen. Bei einem flexiblen Schlauch nimmt außerdem die insgesamt vorhandene elastische Schlauchfläche zu.
Auch die wirksame Masse der Flüssigkeitssäule wird größer.
Ein fünf Meter langer Mikrobohrschlauch unterscheidet sich dynamisch daher grundsätzlich von einem Schlauch derselben Ausführung mit nur 0,5 Metern Länge.
Für eine langsame Servicemessung muss dieser Unterschied nicht problematisch sein. Wird dagegen ein Ventilschlag untersucht, der nur wenige Millisekunden dauert, kann die Schlauchlänge einen erheblichen Einfluss auf die registrierte Signalform besitzen.
Ein typisches Fehlerbild ist:
Der stationäre Druck stimmt. Der Druckanstieg wirkt jedoch langsamer, der Peak erscheint breiter und seine maximale Amplitude ist geringer.
Bei dynamischen Messungen sollte die Leitung deshalb grundsätzlich so kurz ausgeführt werden, wie dies unter Berücksichtigung von Sicherheit, Temperatur, Vibration und Zugänglichkeit sinnvoll möglich ist.
5. Warum DN2 und DN4 dynamisch unterschiedlich reagieren
Beim Vergleich unterschiedlicher Nennweiten entsteht leicht eine zu einfache Vorstellung: „Je kleiner der Schlauch, desto stärker die Dämpfung.“ Diese Aussage ist nicht vollständig.
Ein kleinerer Innendurchmesser erhöht zwar den hydraulischen Widerstand sehr stark. Gleichzeitig reduziert er jedoch das eingeschlossene Flüssigkeitsvolumen.
Bei einem größeren Innendurchmesser ist der Widerstand deutlich geringer, dafür befindet sich mehr Flüssigkeit im Schlauch und die elastisch wirksame Schlauchoberfläche ist größer.
Bei den aktuellen Standard-MINIMESS-Schläuchen beträgt der Innendurchmesser nominal 2,0 mm bei DN2 und 4,0 mm bei DN4.
Allein aus der Bezeichnung DN2 oder DN4 kann deshalb keine allgemeingültige Grenzfrequenz abgeleitet werden.
Für die dynamische Übertragung sind gleichzeitig relevant:
- reale Schlauchlänge,
- Innendurchmesser,
- Schlauchkonstruktion,
- Elastizität der Wand,
- Medium und Viskosität,
- Druckniveau,
- Temperatur,
- Anschluss- und Sensorvolumen,
- eingeschlossene Luft.
Die Nennweite sollte deshalb nicht isoliert betrachtet werden.
6. Warum ein realer Schlauch kein idealer Tiefpass ist
Die Tiefpassdarstellung ist für das grundsätzliche Verständnis sehr nützlich. Bei sehr schnellen Vorgängen reicht ein reines R-C-Modell jedoch nicht mehr aus.
Die Flüssigkeitssäule besitzt eine Trägheit. Gleichzeitig breiten sich Druckänderungen als Wellen durch das Fluid-Schlauch-System aus.
Damit kann das gesamte System Eigenfrequenzen besitzen.
In bestimmten Frequenzbereichen kann eine Messleitung deshalb nicht nur dämpfen. Je nach Dämpfungsgrad können auch Nachschwingen oder Resonanzüberhöhungen auftreten.
Das bedeutet für die Praxis:
Ein gemessener Peak kann gegenüber dem tatsächlichen lokalen Prozesssignal kleiner, zeitlich verschoben oder in ungünstigen Fällen auch durch das dynamische Verhalten des Messsystems verformt sein.
Der Begriff „hydraulischer Tiefpass“ sollte daher als anschauliches vereinfachtes Modell verstanden werden und nicht als vollständige Beschreibung jeder dynamischen MINIMESS-Messung.
Je kürzer das untersuchte Ereignis und je höher seine relevanten Frequenzanteile sind, desto wichtiger wird diese Unterscheidung.
7. Eingeschlossene Luft als besonders kritischer Einfluss
Einer der stärksten und gleichzeitig häufig vermeidbaren Einflüsse bei einer hydraulischen Druckmessung ist eingeschlossene Luft.
Hydraulikflüssigkeit besitzt im Vergleich zu Gas eine geringe Kompressibilität. Eine Luftblase kann deshalb die hydraulische Compliance einer Messleitung erheblich erhöhen.
Schon ein vergleichsweise kleines Gasvolumen kann dazu führen, dass eine schnelle Druckänderung stärker geglättet und verzögert wird.
Zusätzlich kann die Größe beziehungsweise Kompression der Gasblase vom absoluten Druck abhängen. Ein Messaufbau mit eingeschlossener Luft kann deshalb bei unterschiedlichen Betriebsdrücken ein anderes dynamisches Verhalten zeigen.
Besonders problematisch ist die schlechte Reproduzierbarkeit. Wird ein Schlauch einmal vollständig mit Öl gefüllt und bei einer zweiten Messung befindet sich ein kleines Luftpolster darin, werden zwei unterschiedliche hydraulische Übertragungssysteme miteinander verglichen.
Für dynamische Vergleichsmessungen sollte der Füllzustand der Messleitung daher kontrolliert und reproduzierbar sein.
Ein unter Druck stehender Anschluss darf dabei nicht durch unkontrolliertes Lösen einer Verschraubung entlüftet werden. Für Druckentlastung und Entlüftung sind ausschließlich die dafür vorgesehenen Verfahren und Komponenten zu verwenden.
8. Ölviskosität und Temperatur berücksichtigen
Der hydraulische Widerstand einer Mikrobohrleitung hängt unmittelbar von der Viskosität des Mediums ab.
Bei vielen Hydraulikölen nimmt die Viskosität bei sinkender Temperatur erheblich zu. Eine Messung unmittelbar nach einem Kaltstart kann deshalb ein anderes dynamisches Verhalten zeigen als dieselbe Messung bei vollständig betriebswarmem Öl.
Die Leitung wirkt dann nicht deshalb anders, weil sich ihre Geometrie verändert hat, sondern weil sich die Eigenschaften des Mediums geändert haben.
Für reproduzierbare Vergleichsmessungen ist die Öltemperatur daher eine wichtige Dokumentationsgröße.
Das gilt insbesondere dann, wenn zwei Messreihen miteinander verglichen werden, zwischen denen mehrere Stunden oder unterschiedliche Betriebszustände liegen.
Eine scheinbare Änderung der Anlagenpulsation kann andernfalls teilweise aus einer veränderten Übertragungsfunktion der Messleitung stammen.
9. Kupplungen, Adapter und Totvolumen nicht vergessen
Der Schlauch ist nicht das einzige hydraulisch wirksame Element der Messkette.
Ein typischer Aufbau kann beispielsweise so aussehen:
Hydraulikblock → MINIMESS-Testpunkt → Gegenkupplung → Mikrobohrschlauch → Adapter → Drucksensor
Jede Komponente bringt einen eigenen Querschnitt und ein eigenes Innenvolumen mit.
Besonders ungünstig für sehr dynamische Messungen können unnötig große Hohlräume unmittelbar vor der Sensormembran sein. Sie erhöhen das kompressible Volumen der Messkette.
Querschnittsänderungen können zusätzlich die dynamische Übertragung beeinflussen.
Für schnelle Messungen ist deshalb eine kompakte und eindeutig definierte Anschlusskette vorteilhaft. Mehrere Adapter sollten nicht allein aus Bequemlichkeit hintereinander eingesetzt werden, wenn eine direkte passende Verbindung verfügbar ist.
Außerdem muss jedes Bauteil hinsichtlich Druckstufe, Medium, Temperatur und Abdichtprinzip zum restlichen Aufbau passen.
10. Drucksensor, Messbereich und Bandbreite richtig auswählen
Ein hydraulisch optimaler Anschluss nützt wenig, wenn der verwendete Drucksensor selbst nicht schnell genug ist.
Bei dynamischen Messungen müssen deshalb mindestens zwei voneinander getrennte Eigenschaften des Sensors betrachtet werden:
Messbereich beziehungsweise zulässige Druckbelastung und dynamisches Ansprechverhalten.
Ein Sensor mit einem Messbereich von beispielsweise 0…250 bar ist nicht allein deshalb für eine Anlage geeignet, weil deren normaler Betriebsdruck 220 bar beträgt. Wenn während des zu untersuchenden Vorgangs Druckspitzen deutlich darüber auftreten können, müssen Messbereich und zulässige Überlast entsprechend berücksichtigt werden.
Die Überlastgrenze darf dabei nicht als zusätzlicher regulärer Messbereich verstanden werden.
Für die Dynamik sind Herstellerangaben wie Ansprechzeit, Bandbreite oder Eigenfrequenz des Sensors relevant. Welche Größe angegeben wird, hängt vom jeweiligen Sensortyp ab.
Die nutzbare Bandbreite der Gesamtmessung kann nie höher sein als die Bandbreite des schwächsten Gliedes der Messkette.
11. Warum eine hohe Abtastrate allein nicht genügt
Bei der Suche nach kurzen Druckspitzen wird häufig zunächst die Abtastrate des Messgeräts erhöht.
Das ist grundsätzlich richtig. Ein kurzer Druckpeak kann nur aufgezeichnet werden, wenn ausreichend viele Messwerte während des Ereignisses erfasst werden.
Die digitale Abtastrate beschreibt jedoch nur den letzten Teil der Messkette.
Die vollständige Übertragung lautet:
Prozess → Testpunkt → Kupplung → Schlauch → Adapter → Drucksensor → Elektronik → Datenlogger → Software
Wenn ein zwei Millisekunden langer Druckimpuls bereits durch die hydraulische Messleitung geglättet wurde, erreicht das ursprüngliche Signal den Sensor nicht mehr.
Ein Datenlogger kann dann mit 1 kHz, 10 kHz oder noch höherer Abtastrate messen – er zeichnet lediglich das bereits hydraulisch veränderte Sensorsignal genauer auf.
Eine nachträglich höhere Abtastrate kann einen physikalisch bereits gedämpften Druckpeak nicht rekonstruieren.
Das MultiSystem 5070 ermöglicht beispielsweise schnelle mehrkanalige Messungen und eignet sich dadurch gut zur Analyse zeitabhängiger hydraulischer Größen. Entscheidend bleibt jedoch, dass auch Sensor und hydraulische Anbindung für die gesuchte Dynamik geeignet sind.
12. Die dynamische Messkette praktisch überprüfen
In vielen Servicefällen ist die genaue mathematische Übertragungsfunktion eines vorhandenen Schlauchaufbaus nicht bekannt. Eine sehr aussagekräftige Methode ist dann die Vergleichsmessung.
Angenommen, eine Maschine zeigt beim schnellen Schließen eines Ventils eine vermutete Druckspitze.
Die erste Messung erfolgt über einen vorhandenen langen DN2-Service-Schlauch. Die Aufzeichnung zeigt einen relativ breiten und moderaten Peak.
Anschließend wird – unter identischen beziehungsweise möglichst gut reproduzierbaren Prozessbedingungen – dieselbe Messung mit einer deutlich kürzeren hydraulischen Verbindung wiederholt.
Wird der Druckanstieg jetzt steiler und der maximale Peak höher, ist dies ein deutliches Indiz dafür, dass die ursprüngliche Messleitung die Dynamik beeinflusst hat.
Noch aussagekräftiger ist eine synchrone Zweikanalmessung. Dabei wird ein schneller Sensor möglichst nah am Prozess angeschlossen und ein zweiter Sensor über die zu untersuchende Mikrobohrleitung betrieben.
Beide Signale können anschließend hinsichtlich:
- Peak-Amplitude,
- Anstiegszeit,
- Zeitversatz,
- Signalbreite,
- Nachschwingen
verglichen werden.
Damit wird die tatsächliche Übertragungswirkung des konkreten Messaufbaus sichtbar, ohne allein auf ein theoretisches Schlauchmodell angewiesen zu sein.
13. DN2 und DN4: Herstellerdaten richtig interpretieren
Bei der Auswahl eines MINIMESS-Mikrobohrschlauches müssen die Angaben für statische beziehungsweise allgemeine Messaufgaben von den Bedingungen für dynamische Anwendungen unterschieden werden.
Für aktuelle Standard-MINIMESS-Schläuche nennt Hydrotechnik unter anderem folgende mechanische Eckdaten:
| Ausführung | Innen- / Außendurchmesser | Max. Betriebsdruck für Messaufgaben | Max. Betriebsdruck für dynamische Anwendungen | Zulässige Druckanstiegsrate |
|---|---|---|---|---|
| DN2-400 | 2,0 / 4,9 mm | 400 bar | 300 bar | 3.900 bar/s |
| DN2-630 | 2,0 / 4,9 mm | 630 bar | 500 bar | 6.300 bar/s |
| DN4-315 | 4,0 / 8,0 mm | 315 bar | 240 bar | 3.120 bar/s |
| DN4-450 | 4,0 / 8,0 mm | 450 bar | 340 bar | 4.420 bar/s |
Für diese Standardausführungen nennt der Hersteller außerdem einen Betriebstemperaturbereich von −20 °C bis +100 °C sowie kurzzeitig bis +120 °C. Der kleinste Biegeradius beträgt bei DN2 20 mm und bei DN4 40 mm.
Diese Angaben sind für die mechanische Auswahl wichtig. Sie beschreiben jedoch nicht automatisch die messtechnische Bandbreite einer konkreten Schlauch-Sensor-Kombination.
Besonders wichtig ist außerdem der Herstellerhinweis, dass der maximal zulässige Betriebsdruck einer kompletten Schlauchleitung immer durch die Einzelkomponente mit der niedrigsten zulässigen Druckgrenze bestimmt wird.
Eine DN2-630-Schlauchleitung macht einen angeschlossenen Sensor, Adapter oder Testpunkt mit niedrigerer Druckstufe also nicht automatisch zu einer 630-bar-Messkette.
14. Druck-, Temperatur- und Sicherheitsgrenzen beachten
Bei der Untersuchung von Druckspitzen besteht eine besondere Herausforderung: Der gesuchte Maximaldruck ist möglicherweise noch gar nicht bekannt.
Die Messkette muss deshalb mit ausreichender Sicherheitsreserve für die realistisch zu erwartende dynamische Beanspruchung ausgelegt werden.
Neben dem Mikrobohrschlauch sind zu prüfen:
- MINIMESS-Testpunkt,
- Gegenkupplung,
- Schlaucharmaturen,
- Adapter,
- Drucksensor,
- Dichtungen.
Die MINIMESS-Reihe 1620 ist in geeigneten Ausführungen für Betriebsdrücke bis 630 bar verfügbar. Die konkrete Grenze einer aufgebauten Messkette kann jedoch aufgrund anderer Komponenten deutlich niedriger liegen.
Auch die Dichtwerkstoffe müssen zu Medium und Temperatur passen. Für die MINIMESS-Testpunkte stehen je nach Ausführung unterschiedliche Dichtungswerkstoffe zur Verfügung.
Vor der Messung sollte die Schlauchleitung auf Risse, Blasen, Scheuerstellen, Knicke, beschädigte Armaturen und auffällige Dichtstellen kontrolliert werden.
Ein beschädigter Mikrobohrschlauch darf nicht allein deshalb weiterverwendet werden, weil er bei einer statischen Prüfung zunächst noch dicht erscheint.
15. Messaufbau nach Messziel auswählen
Es gibt nicht für jede Hydraulikmessung eine einzige optimale Schlauchkonfiguration.
| Messaufgabe | Sinnvoller Ansatz |
|---|---|
| Statischer Betriebsdruck | MINIMESS-Mikrobohrschlauch in praxisgerechter Länge |
| Langsame Laständerungen | Definierter DN2- oder DN4-Aufbau; Schlauchkonfiguration dokumentieren |
| Mobile Servicemessung | MINIMESS-Testpunkt, geeigneter Schlauch und passender Drucksensor |
| Kurze Ventilschläge | Hydraulische Verbindung möglichst kurz und luftfrei ausführen |
| Pumpenpulsationen | Schlauchübertragung und Sensorbandbreite gemeinsam berücksichtigen |
| Sehr kurze Druckspitzen | Sensor möglichst nahe an der Prozessmessstelle positionieren |
| Unbekannter Schlaucheinfluss | Vergleich mit kürzerer Leitung oder möglichst direkter Messung |
| Analyse des Schlaucheinflusses | Synchrone Zweikanalmessung vor und nach der Messleitung |
Der richtige Aufbau hängt damit unmittelbar vom Messziel ab.
Ein langer Service-Schlauch kann für eine routinemäßige Druckkontrolle sehr gut geeignet sein und gleichzeitig für die genaue Analyse eines extrem kurzen Ventilschlages ungeeignet sein.
Umgekehrt ist eine direkte Sensorbefestigung nicht in jeder Maschine sinnvoll. Hohe Vibrationen, hohe Medientemperaturen, mechanische Kollisionsgefahr oder schlechte Zugänglichkeit können dafür sprechen, den Sensor über eine Messleitung vom Prozess zu entkoppeln.
Die Aufgabe lautet deshalb nicht grundsätzlich „Schlauch vermeiden“, sondern die hydraulische Verbindung passend zur benötigten Messdynamik auszulegen.
16. Passende MINIMESS- und Messtechnik von ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet Komponenten und Systeme für temporäre und stationäre Hydraulikmessungen. Eine Übersicht finden Sie unter MINIMESS-Kupplungen und -Schläuche.
MINIMESS Mikrobohrschläuche
Unter MINIMESS Schläuche stehen unterschiedliche DN2- und DN4-Ausführungen für Mess-, Service- und Diagnoseaufgaben zur Verfügung.
Für dynamische Messungen sollten Schlauchvariante und Länge nicht allein anhand der mechanischen Erreichbarkeit ausgewählt werden. Erforderliche Messdynamik, Druck, Medium und Temperatur gehören gemeinsam zur Auslegung.
MINIMESS 1620
Der MINIMESS 1620 ist ein mechanisch entsperrbarer Testpunkt mit M16×2-Kupplungsgewinde. Er ermöglicht einen kompakten Systemzugang für Druckmessungen und weitere Diagnoseaufgaben an fluidischen Systemen.
Die Reihe ist besonders weit verbreitet und in geeigneten Ausführungen für Betriebsdrücke bis 630 bar verfügbar.
MultiSystem 5070
Für die Aufzeichnung schneller hydraulischer Vorgänge steht unter anderem das MultiSystem 5070 zur Verfügung.
Das mobile Mehrkanal-Messsystem ermöglicht im dynamischen Betrieb Abtastraten bis 10 kHz und kann mehrere hydraulische Messgrößen zeitlich gemeinsam erfassen.
Eine hohe Aufzeichnungsrate ersetzt jedoch nicht die erforderliche hydraulische und sensorische Bandbreite. Für die Untersuchung sehr schneller Druckspitzen müssen Testpunkt, Schlauch, Adapter, Drucksensor und Messgerät als gemeinsame Messkette betrachtet werden.
Weiterführende Fachbeiträge
Wenn eine bestehende Messstelle grundsätzlich zu langsam reagiert, behandeln wir die typischen Ursachen ausführlich im Beitrag „Druckmessung über Mikrobohrschlauch reagiert zu langsam: Volumen, Luftblasen und Drosselwirkung prüfen“.
Die mechanische Belastung durch wiederkehrende Druckzyklen und die sichere Auswahl der MINIMESS-Komponenten behandelt der Beitrag „MINIMESS an pulsierenden Hydraulikleitungen: Druckzyklen, Verschleiß und sichere Messung richtig bewerten“.
Für die Auswahl von Sensor, Adapter und Messbereich ist außerdem der Beitrag „Temporären Drucksensor an MINIMESS anschließen: Messbereich, Adapter und Kabel sicher planen“ relevant.
17. Fazit
Ein MINIMESS-Mikrobohrschlauch ist eine sehr praktische Verbindung zwischen einer vorhandenen hydraulischen Messstelle und einem Drucksensor. Bei statischen und langsam veränderlichen Drücken kann diese Verbindung messtechnisch weitgehend unkritisch sein.
Bei kurzen Druckspitzen ändert sich die Betrachtung.
Die Messleitung besitzt hydraulischen Widerstand, ein kompressibles Flüssigkeitsvolumen, eine elastische Schlauchwand und eine Flüssigkeitsmasse. Dadurch entsteht eine eigene hydraulische Übertragungsfunktion.
In einem vereinfachten Modell wirkt die Kombination aus Widerstand und Compliance wie ein Tiefpass. Schlauchlänge, Innendurchmesser, Viskosität und Luftgehalt bestimmen dann mit, wie stark schnelle Druckänderungen gedämpft werden.
Ein realer Mikrobohrschlauch ist jedoch kein idealer Tiefpass erster Ordnung. Bei höheren Frequenzen werden Fluidträgheit und Wellenausbreitung relevant. Dadurch können zusätzlich Phasenverschiebungen, Eigenfrequenzen und Resonanzeffekte entstehen.
Die Aussage „DN2 dämpft stärker als DN4“ ist deshalb ebenso zu einfach wie die Aussage „ein 10-kHz-Datenlogger misst automatisch jede 10-kHz-Druckspitze richtig“.
Für belastbare dynamische Messungen muss die komplette Kette betrachtet werden:
Prozess → MINIMESS-Testpunkt → Kupplung → Schlauch → Adapter → Drucksensor → Messgerät.
Besonders wichtig sind eine möglichst kurze und definierte hydraulische Verbindung, ein reproduzierbarer luftfreier Füllzustand, ein geeigneter Drucksensor und eine ausreichend schnelle Datenerfassung.
Ist die dynamische Wirkung einer bestehenden Messleitung unbekannt, liefert eine Vergleichsmessung mit einem kürzeren Anschluss oder eine synchrone Zweikanalmessung häufig die klarste Antwort.
Damit wird aus dem Mikrobohrschlauch kein vermeintlich unwichtiger „Verlängerungsschlauch“, sondern ein bewusst ausgelegter Bestandteil der dynamischen Druckmesskette.
18. Häufige Fragen zu dynamischen Druckmessungen über Mikrobohrschläuche
Wirkt ein MINIMESS-Mikrobohrschlauch wie ein Tiefpass?
Bei einer vereinfachten Betrachtung kann die Kombination aus hydraulischem Widerstand und Compliance tatsächlich wie ein Tiefpass wirken. Langsame Druckänderungen werden weitgehend übertragen, während schnelle Änderungen gedämpft oder verzögert werden können. Für sehr schnelle Vorgänge reicht dieses einfache Modell jedoch nicht aus, weil zusätzlich Fluidträgheit, Wellenausbreitung und Resonanzen relevant werden können.
Warum dämpft ein langer Schlauch Druckspitzen stärker?
Mit zunehmender Schlauchlänge steigen unter anderem hydraulischer Widerstand, Flüssigkeitsvolumen, wirksame Flüssigkeitsmasse und der Einfluss der Schlauchelastizität. Dadurch verändert sich die dynamische Übertragungsfunktion.
Ist DN2 für schnelle Druckmessungen ungeeignet?
Nein. DN2 wird häufig für hydraulische Druckmessungen eingesetzt und besitzt ein sehr kleines eingeschlossenes Flüssigkeitsvolumen. Bei sehr schnellen Vorgängen müssen jedoch Länge, Fluid, Schlauchaufbau und die übrige Anschlusskette berücksichtigt werden.
Ist DN4 automatisch schneller als DN2?
Nicht grundsätzlich. DN4 besitzt einen größeren freien Querschnitt und damit einen wesentlich geringeren hydraulischen Widerstand, gleichzeitig aber auch ein größeres Flüssigkeitsvolumen. Die reale Dynamik hängt vom gesamten Messsystem ab und kann nicht allein aus der Nennweite abgeleitet werden.
Warum spielt der Innendurchmesser eine so große Rolle?
Im vereinfachten laminaren Rohrmodell hängt der hydraulische Widerstand umgekehrt von der vierten Potenz des Innendurchmessers ab. Kleine Änderungen des Durchmessers können den Widerstand deshalb stark verändern. Für die vollständige dynamische Druckübertragung müssen jedoch weitere Effekte berücksichtigt werden.
Warum sind Luftblasen so problematisch?
Luft ist wesentlich kompressibler als Hydraulikflüssigkeit. Ein eingeschlossenes Gasvolumen erhöht deshalb die hydraulische Compliance der Messleitung und kann kurze Druckänderungen deutlich stärker verzögern beziehungsweise dämpfen.
Kann ein langer Schlauch auch einen zu hohen Peak erzeugen?
Das einfache Tiefpassmodell würde primär eine Dämpfung erwarten lassen. Ein reales Druckübertragungssystem besitzt jedoch auch Fluidträgheit und Eigenfrequenzen. Bei ungünstigen dynamischen Bedingungen können daher Resonanzen und Nachschwingvorgänge auftreten. Aus diesem Grund sollte eine unbekannte Messleitung nicht ausschließlich als idealer Tiefpass betrachtet werden.
Kann eine höhere Abtastrate einen gedämpften Peak wieder sichtbar machen?
Nein. Eine höhere Abtastrate verbessert nur die zeitliche Digitalisierung des Signals, das tatsächlich am Drucksensor anliegt. Wurde die ursprüngliche Druckspitze bereits hydraulisch gedämpft, kann sie durch eine höhere digitale Abtastrate nicht wiederhergestellt werden.
Wie schnell sollte der Datenlogger sein?
Die erforderliche Abtastrate hängt von der kürzesten beziehungsweise höchsten relevanten Dynamik des zu untersuchenden Drucksignals und von der Sensorbandbreite ab. Die Abtastrate sollte deutlich oberhalb der tatsächlich benötigten Messbandbreite liegen. Gleichzeitig muss die hydraulische Verbindung diese Bandbreite überhaupt bis zum Sensor übertragen können.
Wie kann ich feststellen, ob mein Schlauch den Druckpeak verfälscht?
Eine praktische Methode ist der Vergleich mit einer deutlich kürzeren Messleitung oder – sofern technisch möglich und sicher – einer möglichst prozessnahen Sensormontage. Besonders aussagekräftig ist eine synchrone Zweikanalmessung mit einem prozessnahen Sensor und einem zweiten Sensor hinter der zu untersuchenden Schlauchleitung.
Warum muss die Öltemperatur dokumentiert werden?
Die Viskosität von Hydrauliköl ist temperaturabhängig. Bei kaltem und entsprechend zähflüssigerem Öl kann der hydraulische Widerstand einer Mikrobohrleitung größer sein als bei betriebswarmem Öl. Dadurch kann sich auch das dynamische Übertragungsverhalten ändern.
Welche Innendurchmesser besitzen Standard-MINIMESS-Schläuche?
Bei den aktuellen Standardausführungen von Hydrotechnik besitzt DN2 einen Innendurchmesser von 2,0 mm und DN4 einen Innendurchmesser von 4,0 mm. Die konkrete Schlauchvariante sollte dennoch immer anhand des zugehörigen Datenblattes geprüft werden.
Ist der statische Betriebsdruck gleichzeitig der zulässige dynamische Druck?
Nicht unbedingt. Hydrotechnik unterscheidet bei den aktuellen Standard-MINIMESS-Schläuchen zwischen maximalem Betriebsdruck für Messaufgaben und einem niedrigeren maximalen Betriebsdruck für definierte dynamische Anwendungen. Bei einer pulsierenden oder stark dynamischen Messung müssen deshalb die entsprechenden Herstellerdaten der konkreten Schlauchausführung verwendet werden.
Welche Druckgrenze gilt für eine komplette MINIMESS-Messkette?
Maßgeblich ist die zulässige Grenze der schwächsten beteiligten Komponente. Testpunkt, Gegenkupplung, Schlauch, Armatur, Adapter und Drucksensor müssen deshalb gemeinsam bewertet werden.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Zusammenstellung einer dynamischen Messkette?
Hilfreich sind MINIMESS-Reihe beziehungsweise vorhandener Testpunkt, Medium, Betriebsdruck, erwarteter maximaler Druckpeak, Druckanstieg beziehungsweise Ereignisdauer, Medien- und Umgebungstemperatur, gewünschte Schlauchlänge, verfügbare Einbausituation, benötigte Messdauer, gewünschte Anzahl der Messkanäle und die ungefähre Dynamik des zu untersuchenden Ereignisses.