In einer Wasserstoffleitung herrschen beispielsweise 200 bar Betriebsdruck. Zwischen Verdichter, Speicher oder Druckregelstrecke und dem nachfolgenden Prozess befindet sich ein Filter. Im sauberen Zustand verursacht dieser Filter lediglich einen Druckverlust von etwa 40 bis 80 mbar. Mit zunehmender Beladung steigt der Differenzdruck langsam an und soll ab beispielsweise 250 mbar eine Wartungsmeldung auslösen.
Auf den ersten Blick erscheint die Messaufgabe einfach: Druck vor dem Filter messen, Druck hinter dem Filter messen und beide Werte voneinander abziehen. Bei 200 bar Leitungsdruck und wenigen hundert Millibar Druckverlust wird genau dieses Verfahren jedoch schnell problematisch.
Der interessierende Differenzdruck ist extrem klein im Verhältnis zum absoluten beziehungsweise statischen Prozessdruck. Ein Druckverlust von 100 mbar bei 200 bar Leitungsdruck entspricht nur 0,05 Prozent des überlagerten Druckes. Zwei gewöhnliche Hochdrucktransmitter müssten also zwei sehr große und nahezu identische Werte so genau messen, dass ihre kleine Differenz zuverlässig übrig bleibt.
Genau dafür wurde der Differenzdrucktransmitter entwickelt. Er misst nicht zwei große Drücke unabhängig voneinander und bildet anschließend mathematisch die Differenz. Stattdessen wirken Hochdruck- und Niederdruckseite auf ein gemeinsames Differenzdruck-Messsystem. Beide Seiten können nahezu denselben hohen statischen Druck sehen, während die Messzelle gezielt die kleine Differenz zwischen ihnen erfasst.
Damit wird die Aufgabe messtechnisch wesentlich besser lösbar. Gleichzeitig entstehen neue Anforderungen: Der Transmitter muss den hohen statischen Leitungsdruck sicher aufnehmen können. Er muss bei diesem Druck die kleine Differenz mit ausreichender Genauigkeit messen. Einseitige Überlast beim Anfahren oder bei einer falschen Ventilstellung darf das Messsystem nicht beschädigen. Außerdem müssen alle medienberührten Werkstoffe, Dichtungen, Impulsleitungen und Ventile für Wasserstoff und die konkreten Prozessbedingungen geeignet sein.
Die wichtigste Regel lautet deshalb: Bei der Differenzdruckmessung über einem Wasserstofffilter dürfen Messbereich und Leitungsdruck nicht miteinander verwechselt werden. Ein Messbereich von 0 … 250 mbar bedeutet nicht, dass der Transmitter nur für 250 mbar Prozessdruck geeignet sein muss. Entscheidend ist, ob die Messzelle beispielsweise 0 … 250 mbar Differenzdruck bei gleichzeitig 200 bar statischem Druck sicher, dicht und mit ausreichender Genauigkeit erfassen kann.
Warum Differenzdruck für die Filterüberwachung geeignet ist
Ein Filter erzeugt einen Strömungswiderstand. Damit das Gas durch das Filtermedium strömen kann, muss vor dem Filter ein etwas höherer Druck vorhanden sein als dahinter.
Der Differenzdruck ergibt sich vereinfacht aus:
Δp = pvor Filter - pnach Filter
Bei einem sauberen Filter ist dieser Druckverlust vergleichsweise klein. Mit zunehmender Beladung werden die freien Strömungsquerschnitte im Filterelement kleiner. Der Widerstand steigt und für denselben Gasdurchsatz wird eine größere Druckdifferenz benötigt.
Genau deshalb eignet sich Differenzdruck hervorragend zur Zustandsüberwachung eines Filters.
Allerdings darf der Differenzdruck nicht isoliert vom Durchfluss betrachtet werden. Ein Filter, der bei hohem Massenstrom 200 mbar Druckverlust erzeugt, kann bei deutlich geringerem Durchfluss nur 40 mbar zeigen, obwohl sein Verschmutzungszustand unverändert ist.
Der gemessene Differenzdruck beschreibt deshalb zunächst den aktuellen hydraulischen beziehungsweise strömungstechnischen Widerstand unter den momentanen Prozessbedingungen.
Für eine aussagekräftige Filterdiagnose gehören Differenzdruck, Durchfluss, Gaszustand und gegebenenfalls Temperatur zusammen.
Besonders bei Wasserstoffsystemen kann diese Betrachtung wichtig werden, weil Prüfstände, Elektrolyseanlagen, Speicherstrecken und Brennstoffzellensysteme oft über einen weiten Lastbereich betrieben werden.
Warum zwei Hochdrucktransmitter oft keine gute Lösung sind
Mathematisch könnte der Differenzdruck auch aus zwei unabhängigen Druckmessungen berechnet werden.
Angenommen, vor dem Filter herrschen:
p1 = 200,120 bar
und hinter dem Filter:
p2 = 200,000 bar
Der gesuchte Differenzdruck beträgt:
Δp = 0,120 bar = 120 mbar
Für eine Prozesssteuerung müsste jeder der beiden Hochdrucktransmitter so genau messen, dass diese kleine Differenz zuverlässig aus zwei ungefähr 200-bar-großen Werten bestimmt werden kann.
Ein Beispiel zeigt das Problem. Werden zwei Drucktransmitter mit einem Bereich von 0 … 250 bar und einer Genauigkeit von ±0,1 % vom Endwert eingesetzt, entspricht allein diese Spezifikation je Sensor einer möglichen Abweichung von:
250 bar × 0,1 % = 0,25 bar
Das sind 250 mbar pro Messstelle.
Der gesuchte Filterdruckverlust beträgt in unserem Beispiel aber nur 120 mbar.
Selbst wenn beide Sensoren im normalen Betrieb sehr stabil arbeiten, ist sofort erkennbar, dass die Differenzbildung zweier großer Messbereiche für eine präzise 120-mbar-Messung messtechnisch ungünstig ist.
Ein echter Differenzdrucktransmitter kann dagegen beispielsweise direkt auf einen Bereich von 0 … 250 mbar ausgelegt werden, obwohl auf beiden Prozessseiten gleichzeitig ein hoher statischer Druck anliegt.
Damit wird die Messauflösung dort eingesetzt, wo sie benötigt wird: bei der kleinen Differenz und nicht beim großen gemeinsamen Leitungsdruck.
Differenzdruck und statischen Druck konsequent unterscheiden
Der statische Druck wird bei einer Differenzdruckmessung häufig auch als Common-Mode-Druck bezeichnet. Beide Seiten des Transmitters stehen dabei nahezu unter demselben Prozessdruck.
Bei einem Filter kann beispielsweise gelten:
H-Seite = 200,12 bar
L-Seite = 200,00 bar
Differenzdruck = 0,12 bar
Die Differenzdruckmesszelle muss also nur 120 mbar Messsignal auswerten. Mechanisch muss das komplette Prozessmesssystem jedoch gleichzeitig ungefähr 200 bar aushalten.
Diese beiden Anforderungen werden in Datenblättern deshalb getrennt angegeben.
Ein Differenzdrucktransmitter kann beispielsweise einen Messbereich von wenigen Millibar besitzen und trotzdem für 160 oder 400 bar statischen Druck ausgelegt sein.
Die statische Druckgrenze darf unter keinen Umständen aus dem Differenzdruckbereich abgeleitet werden.
Umgekehrt bedeutet eine statische Druckfestigkeit von 400 bar nicht, dass auch 400 bar Differenzdruck zwischen H- und L-Seite zulässig wären. Das Differenzdruck-Messelement besitzt einen eigenen Mess- und Überlastbereich.
Genau diese Unterscheidung ist bei Hochdruck-Wasserstoffanlagen elementar.
Einfluss des statischen Drucks auf die Messgenauigkeit
Auch wenn beide Seiten nahezu demselben Druck ausgesetzt sind, bleibt der hohe statische Druck messtechnisch nicht vollkommen wirkungslos.
Ein realer Differenzdrucksensor besitzt mechanische Membranen, Füllflüssigkeit, Dichtungen und ein elastisches Messsystem. Hoher Common-Mode-Druck kann deshalb einen kleinen zusätzlichen Nullpunkt- oder Spanneinfluss erzeugen.
Bei einer Messaufgabe von beispielsweise 100 mbar können bereits wenige Millibar Nullpunktverschiebung relevant sein.
Der statische Druckeinfluss gehört deshalb ebenso zur Geräteauswahl wie die normale Genauigkeitsangabe.
Ein Transmitter, dessen Grundgenauigkeit mit 0,075 % oder 0,1 % spezifiziert ist, kann unter hohem statischem Druck zusätzliche spezifizierte Einflüsse besitzen. Für eine belastbare Unsicherheitsbetrachtung müssen diese Angaben gemeinsam bewertet werden.
Das gilt besonders bei großem Turndown. Wird eine Messzelle mit einem wesentlich größeren Nennbereich auf einen sehr kleinen Differenzdruckbereich herunter skaliert, können Nullpunkt-, Temperatur- und statische Druckeinflüsse im Verhältnis zum eingestellten Bereich stärker ins Gewicht fallen.
Deshalb sollte der Wandler nicht nur „irgendwie 0 … 100 mbar anzeigen können“. Die zugrunde liegende Messzelle sollte möglichst sinnvoll zur tatsächlichen Differenzdruckaufgabe passen.
Den Differenzdruck-Messbereich richtig auswählen
Für eine Filterüberwachung sollte der Messbereich den kompletten Betriebszustand des Filters abdecken, gleichzeitig aber nicht unnötig groß gewählt werden.
Angenommen, ein neuer Filter erzeugt bei Nennstrom ungefähr 60 mbar Druckverlust. Die Wartungsgrenze liegt bei 250 mbar und ein abnormaler Prozesszustand kann kurzfristig bis etwa 350 mbar führen.
Ein Messbereich von 0 … 1 bar wäre technisch zwar möglicherweise verwendbar, würde aber nur einen kleinen Teil des Signals für den interessierenden Betriebsbereich nutzen.
Ein Bereich von beispielsweise 0 … 400 oder 0 … 500 mbar kann für diese Aufgabe deutlich sinnvoller sein, sofern statische Druckfestigkeit, Überlastgrenzen und Prozessbedingungen passen.
Andererseits sollte der Bereich nicht so knapp gewählt werden, dass bereits eine kurze Druckspitze den Sensor außerhalb seines vorgesehenen Messbereiches bringt.
Bei der Auswahl müssen deshalb normaler Druckverlust, Warnschwelle, maximal erwartbarer Differenzdruck und mögliche Fehlerszenarien gemeinsam betrachtet werden.
Auch die Durchflussabhängigkeit des Filters ist wichtig. Wird der maximale Prozessdurchfluss deutlich erhöht, steigt der Druckverlust eines sauberen Filters bereits ohne zusätzliche Verschmutzung.
Eine Alarmgrenze darf deshalb nicht allein anhand eines einzelnen Betriebspunktes festgelegt werden.
Einseitige Überlast als kritischen Betriebsfall berücksichtigen
Der normale Betriebszustand eines Differenzdrucktransmitters ist vergleichsweise komfortabel: Beide Seiten stehen nahezu unter demselben hohen Druck und die Differenz beträgt nur wenige Millibar oder einige hundert Millibar.
Beim Anfahren, Entlüften, Spülen oder falschen Betätigen eines Ventilblocks kann jedoch kurzfristig eine völlig andere Situation entstehen.
Wenn die H-Seite bereits mit 200 bar beaufschlagt wird, während die L-Seite noch drucklos ist, sieht die Messzelle nicht mehr nur 100 mbar Differenzdruck. Für einen kurzen Zeitraum können nahezu die gesamten 200 bar einseitig auf das Differenzdrucksystem wirken.
Das ist ein wesentlich kritischerer Lastfall als der normale Filterbetrieb.
Genau deshalb besitzen Prozess-Differenzdrucktransmitter definierte einseitige Überlastgrenzen und werden häufig zusammen mit einem Ventilblock installiert.
Die korrekte Ventilsequenz beim Anfahren ist Teil der Messstellensicherheit.
Eine hohe statische Druckfestigkeit bedeutet dabei nicht automatisch dieselbe einseitige Differenzdruck-Überlastfestigkeit. Beide Angaben müssen im Datenblatt separat betrachtet werden.
Warum ein 3- oder 5-fach-Ventilblock wichtig ist
Ein direkt am Differenzdrucktransmitter montierter Ventilblock erleichtert nicht nur Wartungsarbeiten. Er hilft auch dabei, die empfindliche Differenzdruckmesszelle kontrolliert mit dem Prozessdruck zu beaufschlagen.
Ein klassischer 3-fach-Ventilblock besitzt ein Absperrventil auf der Hochdruckseite, ein Absperrventil auf der Niederdruckseite und ein Ausgleichsventil zwischen beiden Seiten.
Über das Ausgleichsventil können H- und L-Seite miteinander verbunden werden. Damit liegt an beiden Seiten der Messzelle nahezu derselbe Druck an und der Differenzdruck nähert sich null.
Dieser Zustand ist für Nullpunktkontrollen und das kontrollierte Anfahren besonders hilfreich.
Ein 5-fach-Ventilblock ergänzt typischerweise weitere Entlüftungs- beziehungsweise Prüfanschlüsse. Dadurch lassen sich Kalibrier- und Wartungsarbeiten strukturierter durchführen.
Bei Wasserstoff ist der Ventilblock gleichzeitig ein wichtiger Teil der Dichtheitskette. Werkstoff, Sitzkonstruktion, Packungen, Prozessanschlüsse und Druckstufe müssen daher ebenso sorgfältig spezifiziert werden wie der eigentliche Transmitter.
Die Ventilsequenz sollte nicht improvisiert werden. Herstelleranleitung und betriebliche Arbeitsanweisung bestimmen, in welcher Reihenfolge Absperr- und Ausgleichsventile betätigt werden.
Wasserstoffspezifische Werkstoffe und Dichtheit berücksichtigen
Wasserstoff stellt an Druckmessstellen andere Anforderungen als viele konventionelle Gase.
Das Molekül ist sehr klein und kann durch Dichtsysteme und Werkstoffe leichter permeieren beziehungsweise an Schwachstellen austreten. Gleichzeitig können bei bestimmten Werkstoffen und Belastungszuständen wasserstoffinduzierte Materialeffekte relevant werden.
Deshalb reicht die pauschale Aussage „Edelstahltransmitter“ für eine H₂-Messstelle nicht aus.
Betrachtet werden müssen sämtliche medienberührten Komponenten: Prozessflansche, Trennmembranen, Ventilblock, Rohrleitungen, Verschraubungen, Ventilsitze und Dichtungen.
Auch der genaue Edelstahl beziehungsweise die eingesetzte Nickellegierung kann relevant sein. Viele Prozess-Differenzdrucktransmitter sind mit unterschiedlichen medienberührten Werkstoffen wie Edelstahl, Hastelloy oder Monel verfügbar. Welche Kombination für die konkrete Wasserstoffanwendung geeignet ist, muss aus Druck, Temperatur, Reinheitsanforderung und Herstellerfreigabe abgeleitet werden.
Elastomere Dichtungen verdienen besondere Aufmerksamkeit. FKM, NBR, EPDM, FFKM oder andere Werkstoffe unterscheiden sich deutlich hinsichtlich Gaspermeation, Temperaturbereich und chemischer Eignung.
Bei hochreinem Wasserstoff kommt zusätzlich die Sauberkeit der Messstelle hinzu. Verunreinigungen aus Montage, Schmierstoffen oder ungeeigneten Dichtmaterialien können abhängig vom Prozess unerwünscht sein.
Die Wasserstoffkompatibilität sollte deshalb immer für die vollständige bestellte Geräteausführung bestätigt werden und nicht nur aus dem Produktnamen abgeleitet werden.
Impulsleitungen bei Wasserstoff richtig auslegen
Zwischen Filter und Differenzdrucktransmitter liegen häufig Impulsleitungen. Sie übertragen den Druck vor und nach dem Filter auf die beiden Prozessanschlüsse des Transmitters.
Bei Gasen sollten diese Leitungen so ausgeführt werden, dass sich keine unerwünschten Flüssigkeitstaschen bilden und beide Seiten ein vergleichbares dynamisches Verhalten besitzen.
Bei Wasserstoff kommt der Anspruch an eine dauerhaft dichte Verbindung hinzu.
Jede zusätzliche Verschraubung erhöht die Zahl möglicher Leckstellen. Deshalb ist ein kompakter Aufbau mit sinnvoller Leitungslänge und möglichst wenigen Verbindungsstellen häufig vorteilhaft.
Die beiden Impulsleitungen sollten außerdem möglichst symmetrisch ausgeführt sein. Stark unterschiedliche Leitungslängen und Innenvolumina können das dynamische Verhalten der beiden Druckseiten unterschiedlich beeinflussen.
Bei einer langsam zunehmenden Filterverschmutzung ist dies meist weniger kritisch als bei schnellen Prozessänderungen. Bei pulsierenden oder schnell schaltenden H₂-Systemen kann eine asymmetrische Druckübertragung jedoch zusätzliche transiente Differenzdrucksignale erzeugen.
Auch Temperaturunterschiede zwischen beiden Impulsleitungen sollten möglichst vermieden werden. Zwar handelt es sich um ein Gas, dennoch verändern Temperatur und Druck dessen Dichte und damit den Zustand innerhalb der Leitungen.
Temperatur und Dichteänderungen richtig einordnen
Der Differenzdruck über einem Filter hängt nicht nur vom Verschmutzungsgrad ab.
Auch Gasdichte, Viskosität und Durchfluss verändern den Druckverlust.
Wasserstoff besitzt eine besonders geringe Dichte. Bei einem Druck von 200 bar ist der Gaszustand jedoch vollkommen anders als bei atmosphärischem Druck. Zusätzlich beeinflussen Temperatur und reale Gaseigenschaften die Dichte.
Deshalb sollte eine Filterkennlinie immer für die vorgesehenen Betriebsbedingungen betrachtet werden.
Ein Differenzdruck von 150 mbar bei hohem Massenstrom kann auf einen vollkommen sauberen Filter hindeuten, während derselbe Wert bei deutlich kleinerem Durchfluss bereits eine starke Beladung anzeigen könnte.
Für anspruchsvolle Anlagen ist es deshalb sinnvoll, den Filterzustand nicht nur über einen starren Δp-Grenzwert zu bewerten, sondern den aktuellen Durchfluss beziehungsweise Massenstrom einzubeziehen.
Eine SPS kann beispielsweise den gemessenen Differenzdruck mit einer für den aktuellen Durchfluss erwarteten Referenz vergleichen.
Dadurch lässt sich der Einfluss wechselnder Lastzustände besser vom tatsächlichen Anstieg des Filterwiderstandes trennen.
Messdynamik und Filterpulsationen berücksichtigen
In Elektrolyse-, Verdichter- und Prüfstandsanlagen kann der Wasserstoffdruck dynamisch sein. Ventile schalten, Verdichter erzeugen Pulsationen und Druckregler reagieren auf Laständerungen.
Der Differenzdrucktransmitter sieht diese Veränderungen auf beiden Prozessseiten.
Bei ideal symmetrischer Druckübertragung würden gleichartige Druckänderungen weitgehend als Common-Mode-Signal wirken und nur der reale Filterdruckverlust übrig bleiben.
In der Praxis reagieren H- und L-Seite jedoch nicht vollkommen identisch. Unterschiedliche Impulsleitungen, Dämpfungselemente oder lokale Prozessvolumina können dazu führen, dass schnelle Drucksprünge zeitlich leicht versetzt am Sensor ankommen.
Für wenige Millisekunden kann dann ein großer scheinbarer Differenzdruck entstehen, obwohl der stationäre Filterdruckverlust viel kleiner ist.
Elektronische Dämpfung kann solche Spitzen im Ausgangssignal reduzieren. Sie verändert aber nicht den realen mechanischen Belastungsfall des Sensors.
Für die Auslegung müssen deshalb zwei Fragen getrennt beantwortet werden: Wie schnell soll der gemessene Filterzustand angezeigt werden und welche reale transiente Druckdifferenz kann an der Messzelle auftreten?
Nullpunkt bei hohem statischem Druck prüfen
Ein besonders wertvoller Prüfschritt bei einer Differenzdruckmessstelle ist die Nullpunktkontrolle bei anliegendem statischem Prozessdruck.
Dazu werden – nach dem dafür vorgesehenen Ventilverfahren – beide Seiten des Differenzdrucktransmitters auf denselben Druck gebracht.
Idealisiert gilt dann:
pH = pL
und damit:
Δp = 0
Zeigt der Transmitter bei beispielsweise 200 bar Common-Mode-Druck weiterhin einen relevanten Differenzdruck, muss geprüft werden, ob ein statischer Druckeinfluss, eine Nullpunktverschiebung, ein Ventilproblem oder tatsächlich noch eine Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten vorhanden ist.
Eine Nullpunktprüfung bei Atmosphärendruck allein bildet diesen Zustand nicht vollständig ab.
Gerade bei kleinen Differenzdruckbereichen ist deshalb interessant, wie stabil der Nullpunkt unter realem Leitungsdruck bleibt.
Die Möglichkeit einer Nullpunktkorrektur ersetzt dabei nicht die technische Bewertung. Ein plötzlich deutlich veränderter Nullpunkt sollte nicht einfach regelmäßig weggeparametriert werden, ohne die Ursache zu untersuchen.
Vom Differenzdruck zum tatsächlichen Filterzustand
Ein steigender Differenzdruck ist ein sehr guter Hinweis auf einen zunehmenden Filterwiderstand. Trotzdem sollte daraus nicht automatisch ein direkter Prozentwert für „Filterverschmutzung“ abgeleitet werden.
Das Filterelement besitzt eine charakteristische Druckverlustkurve in Abhängigkeit von Gasdurchsatz, Gaszustand und Beladung.
Für eine zuverlässige Zustandsüberwachung ist deshalb die Herstellerkennlinie des Filters wesentlich.
Im einfachsten Fall wird ein definierter Nennbetriebspunkt verwendet. Bei konstantem Wasserstoffdurchfluss kann ein steigender Δp dann direkt mit dem zunehmenden Widerstand verglichen werden.
Bei stark wechselndem Betrieb ist eine durchflusskompensierte Bewertung sinnvoller.
Zusätzlich kann der zeitliche Trend wichtige Informationen liefern. Ein langsam über mehrere Wochen steigender Druckverlust entspricht einem anderen Fehlerbild als ein plötzliches Verdoppeln innerhalb weniger Sekunden.
Ein sprunghafter Anstieg kann beispielsweise auf eine mechanische Blockade, Flüssigkeitseintrag, Vereisung, Ventilfehler oder einen plötzlich veränderten Gaszustand hindeuten.
Die Differenzdruckmessung wird damit nicht nur zum Wartungsschalter, sondern zu einem Diagnoseinstrument für den Prozess.
Warn- und Abschaltgrenzen sinnvoll festlegen
Für die Filterüberwachung werden häufig mindestens zwei Grenzwerte verwendet.
Eine erste Warnschwelle signalisiert, dass das Filterelement in absehbarer Zeit gewartet oder ersetzt werden sollte. Eine zweite, höhere Grenze kann einen kritisch hohen Druckverlust anzeigen.
Diese Schwellen sollten nicht ausschließlich aus dem Messbereich des Transmitters abgeleitet werden.
Maßgeblich sind die zulässigen Druckverluste des Filters, der erforderliche Versorgungsdruck des nachfolgenden Prozesses und die maximal zulässige Belastung der Anlage.
Auch Hysterese und Zeitverzögerung können sinnvoll sein. Eine kurze Druckspitze beim Umschalten eines Ventils sollte nicht zwangsläufig dieselbe Wartungsmeldung erzeugen wie ein über Minuten stabil erhöhter Filterdruckverlust.
Bei sicherheitsrelevanten Abschaltungen muss die Funktion dagegen entsprechend der Gefährdungsanalyse ausgelegt werden.
Der Differenzdrucktransmitter ist dabei nur ein Teil der Sicherheitsfunktion. Sensor, Signalübertragung, Logik, Ventile und Abschaltelemente müssen gemeinsam betrachtet werden.
Praxisbeispiel: 200 bar Wasserstoff und 120 mbar Druckverlust
Eine H₂-Prüfanlage arbeitet bei einem normalen Leitungsdruck von ungefähr 200 bar. Ein Feinfilter schützt ein nachgeschaltetes Regelventil und empfindliche Komponenten.
Nach Herstellerangabe erzeugt der neue Filter bei Nennmassenstrom etwa 70 mbar Druckverlust. Ab 250 mbar soll eine Wartungsmeldung ausgegeben werden. Oberhalb von 400 mbar gilt der Betriebszustand als kritisch.
Zunächst wird vorgeschlagen, vor und hinter dem Filter jeweils einen 0 … 250-bar-Drucksensor zu installieren und den Differenzwert in der SPS zu berechnen.
Messtechnisch ist diese Lösung ungünstig. Die beiden Sensoren messen Werte um 200 bar, während die relevante Differenz im Bereich von wenigen Zehntelbar liegt. Nullpunktabweichung, Temperaturgang und Messunsicherheit beider Hochdrucksensoren wirken direkt auf den berechneten Differenzwert.
Stattdessen wird ein echter Differenzdrucktransmitter mit geeignet kleinem Messbereich eingesetzt, dessen statische Druckfestigkeit oberhalb des maximalen Anlagenbetriebsdruckes liegt.
Im normalen Betrieb zeigt die Messstelle:
Leitungsdruck ≈ 200 bar
Differenzdruck sauberer Filter ≈ 75 mbar
Nach mehreren Betriebsmonaten steigt der Wert bei vergleichbarem Massenstrom auf:
Δp ≈ 180 mbar
Der Filter befindet sich weiterhin unterhalb der Wartungsgrenze, der Trend zeigt jedoch eine klare Zunahme des Strömungswiderstandes.
Bei einer späteren Messung werden 270 mbar erreicht. Die SPS erzeugt nun die Wartungsmeldung.
Während eines schnellen Anlagenstarts tritt kurzzeitig ein Peak von 600 mbar auf. Die Anzeige wird elektronisch gedämpft, die Auslegung der Messzelle und des Ventilblocks berücksichtigt jedoch trotzdem die tatsächliche mögliche transiente Belastung.
Diese Trennung ist wichtig: Die Dämpfung bestimmt, was im Prozessleitsystem sichtbar wird. Die mechanische Auslegung muss dagegen berücksichtigen, was tatsächlich an der Messstelle auftreten kann.
Unplausible Differenzdruckwerte systematisch diagnostizieren
Ein ungewöhnlicher Differenzdruck bedeutet nicht automatisch, dass der Filter verschmutzt ist.
Steigt der Wert plötzlich an, sollte zunächst geprüft werden, ob sich gleichzeitig der Durchfluss verändert hat. Ein höherer Gasdurchsatz erzeugt auch bei unverändert sauberem Filter einen größeren Druckverlust.
Bleibt der Differenzdruck bei abgestelltem Durchfluss deutlich von null verschieden, kommen andere Ursachen in Betracht. Ein Ventil kann nicht vollständig geöffnet sein, eine Impulsleitung kann blockiert sein oder der Transmitter besitzt einen Nullpunktversatz.
Auch eine teilweise geschlossene Absperrung auf einer Impulsleitung kann die Messung dynamisch verfälschen. Im stationären Zustand kann sich der Druck langsam angleichen, während schnelle Prozessänderungen falsch dargestellt werden.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvoller Prüfschritt |
|---|---|---|
| Δp steigt gemeinsam mit Durchfluss | Normaler strömungsabhängiger Druckverlust | Mit Filterkennlinie vergleichen |
| Δp steigt bei konstantem Durchfluss langsam an | Zunehmende Filterbeladung | Trend und Wartungsgrenze beurteilen |
| Δp springt plötzlich stark | Blockade, Ventilvorgang oder transienter Prozesszustand | Prozessverlauf und Impulsleitungen prüfen |
| Δp bleibt bei echtem Nullfluss ungleich null | Nullpunktfehler, Ventil- oder Leitungsproblem | Ausgleichsventil und Nullpunkt bei statischem Druck prüfen |
| Signal reagiert auf einer Richtung sehr langsam | Impulsleitung oder Ventil teilweise blockiert | Beide Druckpfade separat prüfen |
| Messwert ändert sich stark mit Leitungsdruck | Statischer Druckeinfluss oder ungeeignete Messzelle | Common-Mode-Spezifikation und Nullpunktverhalten prüfen |
Gerade bei Wasserstoff sollte eine Diagnose nicht durch unkontrolliertes Lösen von Verschraubungen erfolgen. Lecksuche, Druckentlastung und Arbeiten am Prozessanschluss müssen nach dem vorgesehenen sicheren Verfahren durchgeführt werden.
Kalibrierung und Prüfung der Messkette
Die Kalibrierung eines Differenzdrucktransmitters erfolgt grundsätzlich über eine definierte Druckdifferenz zwischen H- und L-Seite.
Für eine einfache Werkstattprüfung kann eine Seite auf Referenzdruck und die andere auf einen definierten Gegendruck gesetzt werden. Bei sehr kleinen Bereichen sind geeignete Differenzdruckreferenzen erforderlich.
Die besondere Herausforderung der Hochdruckanwendung liegt darin, dass eine reine Niederdruck-Differenzkalibrierung nicht jeden Einfluss des realen statischen Drucks abbildet.
Für anspruchsvolle Messstellen kann deshalb eine Prüfung unter Common-Mode-Druck sinnvoll sein. Dabei werden beide Seiten zunächst auf einen hohen gemeinsamen Druck gebracht und anschließend eine kleine definierte Differenz überlagert.
Damit lässt sich beurteilen, wie sich der Messkanal unter Bedingungen verhält, die dem realen Anlagenbetrieb näherkommen.
Nicht jedes Kalibrierlabor oder jeder Druckcontroller kann gleichzeitig beispielsweise 200 bar statischen Druck und nur 100 mbar präzise Differenz erzeugen. Die Kalibrierstrategie muss deshalb bereits zur Messaufgabe passen.
Auch Ventilblock und Impulsleitungen sollten bei der Inbetriebnahme nicht völlig getrennt vom Sensor betrachtet werden. Eine perfekte Transmitterkalibrierung hilft wenig, wenn anschließend ein Ventil nicht vollständig öffnet oder eine Prozessleitung teilweise blockiert ist.
Sicheres Arbeiten an der Differenzdruckmessstelle
Eine Hochdruck-Wasserstoffmessstelle darf nicht wie eine gewöhnliche pneumatische Niederdruckmessung behandelt werden.
Vor Arbeiten an Ventilblock, Transmitter oder Impulsleitungen muss der betreffende Anlagenabschnitt entsprechend dem vorgesehenen Verfahren sicher isoliert und druckentlastet werden.
Das bloße Schließen eines einzelnen Ventils beweist nicht automatisch Druckfreiheit. Zwischen zwei geschlossenen Armaturen können erhebliche Gasdrücke eingeschlossen bleiben.
Auch das Ausgleichsventil eines Differenzdruckmanifolds ist kein allgemeines Entspannungsventil zur Umgebung.
Das kontrollierte Entlüften beziehungsweise Rückführen von Wasserstoff muss entsprechend dem Anlagenkonzept erfolgen.
Nach Montage- oder Wartungsarbeiten ist die Dichtheitsprüfung ein wesentlicher Bestandteil der Wiederinbetriebnahme. Gerade kleine Leckagen, die bei einem schwereren oder weniger diffusionsfreudigen Gas unauffällig bleiben könnten, sind bei Wasserstoff besonders relevant.
Bei explosionsgefährdeten Bereichen müssen zusätzlich Gerätezulassung, Zündschutzart, elektrische Installation und Potentialausgleich zur Zoneneinteilung passen.
Die Druckmessung ist damit Teil eines vollständigen H₂-Sicherheitskonzeptes und keine isolierte Instrumentierungsaufgabe.
Passende Differenzdrucktechnik bei ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet unterschiedliche Differenzdrucktransmitter und Prozessdruckmessgeräte für Filterüberwachung, Durchflussmessung, geschlossene Behälter und anspruchsvolle Gasapplikationen an.
Der WIKA DPT-20 ist für Differenzdruckbereiche von sehr kleinen Messspannen bis in den bar-Bereich verfügbar. Je nach Ausführung beträgt die statische Druckbelastbarkeit bis zu 400 bar. Damit ist das Geräteprinzip besonders interessant, wenn kleine Druckdifferenzen bei hohem überlagertem Prozessdruck gemessen werden sollen.
Für die Prozessintegration stehen unter anderem 4 … 20 mA, 4 … 20 mA mit HART, PROFIBUS PA und FOUNDATION Fieldbus zur Verfügung. Für explosionsgefährdete Bereiche sind entsprechende Ex-Ausführungen erhältlich.
Für Wasserstoffanwendungen muss die konkrete DPT-20-Konfiguration anhand der medienberührten Werkstoffe, Membran, Dichtungen, Druckstufe, Temperatur und erforderlichen Zulassungen ausgewählt werden.
Als Siemens-Lösung steht der SITRANS P320/P420 auch in Differenzdruckausführungen zur Verfügung. Die DP-Baureihe ermöglicht kleine Messspannen bei gleichzeitig hohem statischem Prozessdruck und bietet umfangreiche Diagnose- und HART-Funktionen.
Bei der Differenzdruckausführung des SITRANS P320/P420 ist die maximal zulässige statische Druckbelastung der jeweiligen Messzelle zu beachten. Für Anwendungen oberhalb dieser Grenze muss eine andere Geräteausführung gewählt werden.
Für die Auswahl einer H₂-Filtermessstelle sollten möglichst folgende Angaben vorliegen: minimaler und maximaler Leitungsdruck, normaler und maximaler Differenzdruck, H₂-Reinheit beziehungsweise Gaszusammensetzung, Temperaturbereich, maximaler Durchfluss, Prozessanschlüsse, gewünschte Werkstoffe, Ex-Zone, Ausgangssignal und gewünschte Wartungs- beziehungsweise Alarmgrenzen.
Wasserstoff-Anwendungen bei ICS Schneider
Differenzdrucksensoren und -transmitter bei ICS Schneider
WIKA DPT-20 Differenzdrucktransmitter
Fazit
Die Filterüberwachung in einer Hochdruck-Wasserstoffleitung ist ein gutes Beispiel dafür, warum Differenzdruck und Leitungsdruck konsequent getrennt betrachtet werden müssen.
Ein Prozess kann unter 200 bar stehen, während der eigentlich interessante Messwert nur 100 mbar beträgt. Genau deshalb ist die Differenzbildung aus zwei normalen Hochdrucksensoren häufig keine gute Lösung. Beide Sensoren müssten zwei sehr große Werte so genau messen, dass deren winziger Unterschied zuverlässig übrig bleibt.
Ein echter Differenzdrucktransmitter misst dagegen direkt die kleine Druckdifferenz zwischen beiden Filterseiten. Voraussetzung ist allerdings, dass seine Messzelle gleichzeitig für den hohen statischen Druck ausgelegt ist.
Damit endet die Auslegung noch nicht. Der statische Druckeinfluss auf den Nullpunkt, die einseitige Überlastfestigkeit, Ventilblock, Impulsleitungen und mögliche transiente Druckzustände gehören ebenfalls zur Messaufgabe.
Bei Wasserstoff kommen medienberührte Werkstoffe, Dichtungen, Permeation, Leckdichtheit und gegebenenfalls Explosionsschutz hinzu. Die Eignung muss deshalb für die konkrete Geräteausführung und nicht nur für die Produktfamilie bewertet werden.
Auch der gemessene Differenzdruck selbst ist nicht automatisch ein direkter Verschmutzungsgrad. Durchfluss, Gasdichte und Temperatur beeinflussen den Filterdruckverlust. Besonders bei Anlagen mit wechselnder Last ist deshalb eine durchflussbezogene beziehungsweise trendbasierte Bewertung oft wesentlich aussagekräftiger als eine einzelne starre Alarmgrenze.
Wer hohen statischen Druck, kleine Differenz, Wasserstoffverträglichkeit und reale Prozessdynamik gemeinsam betrachtet, erhält eine Filterüberwachung, die nicht nur einen Messwert liefert, sondern den tatsächlichen Zustand des H₂-Prozesses zuverlässig beschreibt.
FAQ zur Differenzdruckmessung über Wasserstofffiltern
Kann man den Filterdruckverlust mit zwei normalen Drucktransmittern berechnen?
Grundsätzlich ja, messtechnisch ist dies bei hohem Leitungsdruck und sehr kleiner Differenz jedoch häufig ungünstig. Die Unsicherheit beider großen Druckmessungen wirkt direkt auf den berechneten Differenzwert.
Warum ist ein echter Differenzdrucktransmitter besser geeignet?
Er misst direkt den Druckunterschied zwischen Hoch- und Niederdruckseite und kann deshalb einen kleinen mbar-Bereich nutzen, obwohl auf beiden Seiten ein hoher gemeinsamer statischer Druck anliegt.
Was bedeutet statischer Druck bei einem Differenzdrucktransmitter?
Der statische oder Common-Mode-Druck ist der gemeinsame Prozessdruck, der annähernd gleichzeitig auf beiden Seiten des Differenzdruck-Messsystems anliegt.
Kann ein 0 … 250-mbar-Differenzdrucktransmitter an einer 200-bar-Leitung eingesetzt werden?
Nur wenn die konkrete Geräteausführung für mindestens diesen statischen Prozessdruck zugelassen ist und alle weiteren Prozessbedingungen eingehalten werden. Differenzdruckbereich und statische Druckfestigkeit sind zwei unterschiedliche Spezifikationen.
Warum beeinflusst hoher statischer Druck den Nullpunkt?
Reale Messzellen besitzen elastische Membranen und mechanische Strukturen. Der hohe Common-Mode-Druck kann deshalb einen kleinen zusätzlichen Nullpunkt- beziehungsweise Genauigkeitseinfluss erzeugen.
Was ist einseitige Überlast?
Sie entsteht, wenn eine Seite des Differenzdrucktransmitters stark druckbeaufschlagt ist, während die andere Seite deutlich weniger Druck sieht. Dieser Zustand kann beim falschen Betätigen von Ventilen wesentlich höher sein als der normale Filterdruckverlust.
Warum wird ein Ventilblock eingesetzt?
Er ermöglicht kontrolliertes Absperren und Ausgleichen der beiden Prozessseiten und erleichtert Nullpunktkontrolle, Inbetriebnahme und Wartung.
Was ist der Unterschied zwischen einem 3- und 5-fach-Ventilblock?
Ein 3-fach-Block besitzt typischerweise zwei Absperrventile und ein Ausgleichsventil. Ein 5-fach-Block ergänzt weitere Prüf- beziehungsweise Entlüftungsanschlüsse.
Ist Edelstahl automatisch für Wasserstoff geeignet?
Nein. Die Eignung hängt von konkreter Legierung, Druck, Temperatur, mechanischer Belastung und Herstellerfreigabe ab. Auch Membranen, Dichtungen und Ventile müssen berücksichtigt werden.
Warum ist Wasserstoff bei Dichtungen besonders anspruchsvoll?
Wasserstoff besitzt eine sehr kleine Molekülgröße und kann durch Dichtsysteme leichter permeieren beziehungsweise an sehr kleinen Leckstellen austreten. Die Dichtungswerkstoffe müssen zur konkreten Anwendung passen.
Kann der Differenzdruck auch bei sauberem Filter schwanken?
Ja. Änderungen von Durchfluss, Leitungsdruck, Temperatur oder Gaszustand können den Druckverlust beeinflussen, ohne dass sich der Filterbeladungszustand verändert hat.
Steigt der Filterdruckverlust mit dem Durchfluss?
In der Regel ja. Der genaue Zusammenhang hängt von Filtergeometrie, Gaszustand und Strömungsbereich ab. Deshalb sollte die Herstellerkennlinie berücksichtigt werden.
Kann ich eine feste mbar-Grenze als Verschmutzungsalarm verwenden?
Bei weitgehend konstantem Durchfluss kann dies sinnvoll sein. Bei stark wechselnder Last ist eine durchflusskompensierte oder trendbasierte Bewertung häufig aussagekräftiger.
Warum sollten die Impulsleitungen möglichst ähnlich aufgebaut sein?
Unterschiedliche Längen, Volumina oder Drosselwirkungen können dazu führen, dass schnelle Druckänderungen zeitlich unterschiedlich auf H- und L-Seite ankommen und dadurch transiente scheinbare Differenzdrücke entstehen.
Kann elektronische Dämpfung Druckspitzen verhindern?
Nein. Sie glättet lediglich das elektrische beziehungsweise digitale Messsignal. Die reale mechanische Druckbelastung der Messzelle bleibt bestehen.
Wie kann der Nullpunkt unter Prozessdruck geprüft werden?
Mit dem dafür vorgesehenen Ventilverfahren werden beide Seiten des Differenzdrucktransmitters auf denselben statischen Druck gebracht. Der resultierende Differenzdruck sollte dann nahe null liegen.
Reicht eine normale Niederdruckkalibrierung für eine 200-bar-H₂-Anwendung?
Sie bestätigt die grundsätzliche Differenzdruckkennlinie, bildet aber nicht zwangsläufig alle Einflüsse des hohen statischen Drucks ab. Für hohe Genauigkeitsanforderungen kann eine Prüfung unter Common-Mode-Druck sinnvoll sein.
Welche Messbereiche bietet der WIKA DPT-20?
Der DPT-20 ist in Differenzdruckbereichen von sehr kleinen mbar-Spannen bis in den bar-Bereich verfügbar. Je nach Ausführung beträgt die statische Druckbelastbarkeit bis zu 400 bar.
Kann der SITRANS P320 für kleine Differenzdrücke eingesetzt werden?
Ja. Die Differenzdruckausführung bietet sehr kleine Messspannen. Die zulässige statische Druckbelastung der jeweiligen Messzelle muss jedoch zur H₂-Anlage passen.
Welche Angaben werden für die Auslegung einer Wasserstoff-Filtermessstelle benötigt?
Wichtig sind insbesondere minimaler und maximaler Leitungsdruck, erwarteter Differenzdruck bei sauberem und verschmutztem Filter, maximal möglicher Differenzdruck, Wasserstoffqualität beziehungsweise Gasgemisch, Temperatur, Durchfluss, Prozessanschluss, gewünschte medienberührte Werkstoffe, Ex-Anforderungen und gewünschtes Ausgangssignal.