Ein hydraulischer Druckspeicher soll bei einem Druckabfall kurzfristig zusätzliche Hydraulikflüssigkeit bereitstellen. Das an der Anlage installierte Manometer zeigt während des Betriebs 160 bar an. Bei einer späteren Wartung wird jedoch ein Stickstoffvorfülldruck von nur 80 bar gemessen. Liegt eine Störung vor, ist der Speicher falsch befüllt oder werden hier zwei grundsätzlich unterschiedliche Betriebszustände miteinander verglichen?
Die Antwort liegt im Funktionsprinzip des Hydrospeichers. Der Gasvorfülldruck beschreibt den Druck des Stickstoffs, wenn die Flüssigkeitsseite des Speichers im vorgesehenen Prüfzustand hydraulisch vollständig entlastet ist. Während des Betriebs strömt dagegen Hydraulikflüssigkeit in den Speicher und komprimiert das Gaspolster. Der Gasdruck steigt dabei an und steht im annähernd statischen Gleichgewicht mit dem hydraulischen Druck.
Ein hydraulischer Drucksensor erfasst deshalb in erster Linie den Betriebsdruck an seiner Messstelle. Aus diesem Wert lässt sich der ursprüngliche Gasvorfülldruck nicht ohne weitere Informationen bestimmen. Umgekehrt bedeutet eine normale Betriebsdruckanzeige nicht automatisch, dass genügend Stickstoff vorhanden ist oder der Speicher seine vorgesehene Ölmenge bereitstellen kann.
Dieser Fachbeitrag erklärt die Unterschiede zwischen Gasvorfüllung, Speicherladedruck und hydraulischem Betriebsdruck. Er zeigt anhand eines Rechenbeispiels, wie sich das Gasvolumen bei unterschiedlichen Druckzuständen verändert, erläutert typische Fehlerbilder und beschreibt die Auswahl geeigneter Drucksensoren, Digitalmanometer und Prüfanschlüsse. Im Mittelpunkt stehen eine aussagekräftige Drucküberwachung, reproduzierbare Diagnose und der sichere Umgang mit gespeicherter hydraulischer Energie.
Inhaltsverzeichnis
- Die Überwachungsaufgabe des Hydrospeichers festlegen
- Blasen-, Kolben- und Membranspeicher unterscheiden
- Gaspolster und hydraulische Energiespeicherung verstehen
- Gasvorfülldruck, Mindestdruck und Höchstdruck unterscheiden
- Warum Gasdruck und Hydraulikdruck im Betrieb ähnlich hoch sind
- Den tatsächlichen Gasvorfülldruck richtig prüfen
- Temperatureinfluss auf den Stickstoffvorfülldruck berücksichtigen
- Gasdruck und Gasvolumen rechnerisch verknüpfen
- Rechenbeispiel: Hydrospeicher zwischen 100 und 160 bar
- Die Auswirkungen eines zu niedrigen Vorfülldrucks erkennen
- Einen zu hohen Vorfülldruck richtig bewerten
- Den richtigen hydraulischen Druckmesspunkt auswählen
- Messbereich und Drucksensor für den Hydrospeicher auslegen
- Druckspitzen, Pulsationen und Messdynamik erfassen
- Pumpenschaltpunkte und hydraulische Druckgrenzen überwachen
- Druck-Zeit-Verläufe zur Speicherdiagnose nutzen
- Gasverlust, Hydrauliklecks und Ventilfehler unterscheiden
- Prozessanschlüsse, Messkupplungen und Einbau berücksichtigen
- Stickstoff, Restdruck und hydraulische Speicherenergie sicher beherrschen
- Einen systematischen Prüf- und Diagnoseablauf durchführen
- Typische Fehlerbilder und Fehlinterpretationen erkennen
- Passende Druckmesstechnik und Speicherprüftechnik von ICS Schneider
- Fazit: Betriebsdruck überwachen und Gasvorfüllung getrennt prüfen
- Häufige Fragen zur Drucküberwachung von Hydrospeichern
1. Die Überwachungsaufgabe des Hydrospeichers festlegen
Hydrospeicher übernehmen in industriellen Hydraulikanlagen unterschiedliche Aufgaben. Sie können hydraulische Energie zwischenspeichern, kurzzeitige Volumenströme bereitstellen, Druckschwankungen dämpfen oder einen begrenzten Flüssigkeitsbedarf bei zeitweilig fehlender Pumpenförderung abdecken.
Typische Anwendungen sind hydraulische Pressen, Werkzeugmaschinen, Spritzgießmaschinen, mobile Arbeitsmaschinen, Prüfstände und Anlagen mit wiederkehrenden Lastwechseln.
Vor der Auswahl der Druckmesstechnik muss festgelegt werden, welche Speicherfunktion überwacht werden soll. Für einen Energiespeicher sind beispielsweise der obere und untere Betriebsdruck sowie die verfügbare Ölmenge entscheidend. Bei einem Pulsationsdämpfer stehen dagegen schnelle Druckänderungen und die Dynamik des Systems im Vordergrund.
Auch die Frage nach dem Gasvorfülldruck ist davon zu trennen. Dieser bestimmt wesentlich, wie viel hydraulische Energie beziehungsweise nutzbares Flüssigkeitsvolumen der Speicher im vorgesehenen Arbeitsbereich bereitstellen kann.
Eine zuverlässige Überwachung benötigt deshalb unterschiedliche Informationen: den aktuellen hydraulischen Druck, den zeitlichen Druckverlauf, den vorgesehenen Gasvorfülldruck und gegebenenfalls zusätzliche Zustandsgrößen wie Temperatur, Pumpenstatus und Schaltzustände.
Besonders wichtig ist, dass eine Druckmessstelle nur den Druck an ihrer tatsächlichen Position erfasst. Liegt zwischen Drucksensor und Speicher ein geschlossenes Absperrventil, kann der Sensor einen anderen Druck anzeigen als den momentan im Speicher vorhandenen.
Die Messaufgabe muss daher bereits bei der hydraulischen Verschaltung und der Positionierung der Sensoren berücksichtigt werden.
2. Blasen-, Kolben- und Membranspeicher unterscheiden
In hydraulischen Anlagen werden vor allem Blasen-, Kolben- und Membranspeicher eingesetzt. Bei allen drei Bauarten wird hydraulische Energie durch das Komprimieren eines Gasvolumens gespeichert. Die Trennung zwischen Gas und Hydraulikflüssigkeit wird jedoch unterschiedlich realisiert.
Ein Blasenspeicher besitzt eine elastische Gasblase innerhalb eines druckfesten Behälters. Der Stickstoff befindet sich in der Blase, während Hydraulikflüssigkeit außerhalb der Blase in den Speicher strömt. Mit steigendem Hydraulikdruck wird die Blase zusammengedrückt.
Bei einem Kolbenspeicher trennt ein beweglicher Kolben den Gasraum vom Flüssigkeitsraum. Die Kolbenposition verändert sich abhängig von Druck und gespeichertem Flüssigkeitsvolumen. Dabei können Kolbenreibung und Dichtungseigenschaften das dynamische Verhalten beeinflussen.
Ein Membranspeicher verwendet eine flexible Membran zur Trennung der beiden Medien. Diese Bauart wird häufig bei kompakteren Speichergrößen und für bestimmte Dämpfungs- oder Ausgleichsaufgaben eingesetzt.
Für alle Bauarten gilt, dass die Gasvorfüllung und die hydraulische Betriebsbelastung getrennt bewertet werden müssen.
Die zulässigen Druckverhältnisse zwischen Vorfülldruck, Mindestbetriebsdruck und Höchstdruck unterscheiden sich je nach Speicherbauart und Hersteller.
Besonders bei Membran- und Blasenspeichern muss verhindert werden, dass das Trennelement unter ungeeigneten Druckbedingungen wiederholt gegen einen mechanischen Anschlag beziehungsweise den Flüssigkeitsanschluss belastet wird.
Bei Kolbenspeichern sind zusätzlich mögliche Reibungs- und Dichtungseinflüsse zu beachten. Deshalb darf das Verhalten einer bestimmten Speicherbauart nicht ohne Weiteres auf alle anderen Bauarten übertragen werden.
3. Gaspolster und hydraulische Energiespeicherung verstehen
Ein Hydrospeicher verwendet ein kompressibles Gaspolster, um Energie innerhalb einer hydraulischen Anlage aufzunehmen und später wieder abzugeben.
Im unbeladenen, hydraulisch entlasteten Zustand besitzt der Speicher einen definierten Gasvorfülldruck. Das Gas nimmt dabei das für diesen Zustand vorgesehene Volumen ein.
Steigt der hydraulische Druck über den wirksamen Gasdruck an, kann Hydraulikflüssigkeit in den Speicher strömen. Dadurch verkleinert sich das Gasvolumen und der Gasdruck steigt.
Wenn die Anlage anschließend zusätzliche Hydraulikflüssigkeit benötigt, kann das komprimierte Gas die gespeicherte Flüssigkeit zurück in das Hydrauliksystem drücken. Das Gasvolumen nimmt dabei wieder zu und der Druck sinkt.
Dieser Vorgang erklärt, weshalb ein Hydrospeicher nicht wie ein starrer Flüssigkeitsbehälter betrachtet werden kann.
Die nutzbare Energiemenge hängt insbesondere vom gesamten Speichervolumen, dem Gasvorfülldruck, dem oberen und unteren Betriebsdruck sowie dem thermodynamischen Verhalten des Gases ab.
Auch die Geschwindigkeit des Lade- und Entladevorgangs ist relevant. Bei schnellen Vorgängen kann sich die Gastemperatur anders entwickeln als bei einer langsamen Kompression beziehungsweise Entspannung.
Der hydraulische Druck ist somit eine wichtige Betriebsgröße, beschreibt aber nicht allein den gesamten gespeicherten Energieinhalt oder den Zustand der Gasvorfüllung.
4. Gasvorfülldruck, Mindestdruck und Höchstdruck unterscheiden
Für die Auslegung und Diagnose von Hydrospeichern werden häufig die Größen p0, p1 und p2 verwendet.
| Bezeichnung | Bedeutung | Mess- beziehungsweise Betriebszustand |
|---|---|---|
| p0 – Gasvorfülldruck | Stickstoffdruck im vorgesehenen Vorfüllzustand | Hydraulikseite sicher entlastet, Gasdruck am vorgesehenen Gasanschluss geprüft |
| p1 – Mindestbetriebsdruck | Unterer hydraulischer Druck des vorgesehenen Arbeitsbereichs | Speicher befindet sich noch innerhalb des geplanten hydraulischen Arbeitszustands |
| p2 – Höchstbetriebsdruck | Oberer hydraulischer Druck des vorgesehenen Arbeitsbereichs | Speicher ist entsprechend dem Betriebszustand stärker mit Hydraulikflüssigkeit beladen |
| V0 – Gasvolumen bei p0 | Gasvolumen im definierten Vorfüllzustand | Referenzzustand für die Speicherauslegung |
| V1 – Gasvolumen bei p1 | Gasvolumen beim unteren Arbeitsdruck | Gaspolster ist gegenüber dem Vorfüllzustand komprimiert |
| V2 – Gasvolumen bei p2 | Gasvolumen beim oberen Arbeitsdruck | Gaspolster besitzt ein kleineres Volumen als bei p1 |
Bei einer typischen Energiespeicheranwendung liegt der Gasvorfülldruck unterhalb des vorgesehenen Mindestbetriebsdrucks.
Für bestimmte Anwendungen nennt HYDAC beispielsweise einen empfohlenen Vorfülldruck von 0,9 · p1. Dabei handelt es sich um eine hersteller- und anwendungsbezogene Auslegungsempfehlung, nicht um eine universelle Vorgabe für sämtliche Hydrospeicher.
Für Pulsationsdämpfung oder Stoßabsorption können andere Druckverhältnisse zweckmäßig sein.
Die Größen p0, p1 und p2 dürfen deshalb nicht miteinander gleichgesetzt werden. Sie beschreiben unterschiedliche Zustände und Aufgaben des Speichers.
Auch die zulässigen mechanischen Betriebsgrenzen sind separat zu beachten. Der für die Anlage gewählte obere Arbeitsdruck muss innerhalb der freigegebenen Grenzen des Speichers und aller angeschlossenen Komponenten liegen.
5. Warum Gasdruck und Hydraulikdruck im Betrieb ähnlich hoch sind
Bei einem funktionsfähigen Hydrospeicher überträgt das Trennelement die Druckwirkung zwischen dem Gas und der Hydraulikflüssigkeit.
Im annähernd statischen Gleichgewicht und bei entsprechend beladenem Speicher sind Gasdruck und hydraulischer Druck häufig nahezu gleich groß.
Wird beispielsweise ein Blasenspeicher mit einem hydraulischen Druck von 150 bar betrieben, kann auch der Gasdruck in der komprimierten Blase ungefähr 150 bar betragen.
Dieser Wert ist jedoch nicht mit dem ursprünglichen Gasvorfülldruck identisch.
Der Stickstoff wurde bei der hydraulischen Beladung komprimiert. Deshalb ist sein aktueller Druck höher als im entlasteten Vorfüllzustand.
Bei einem Kolbenspeicher können zusätzliche Druckunterschiede durch Kolbenreibung und dynamische Bewegungen entstehen. Bei schnellen Druckänderungen können außerdem Strömungswiderstände, Trägheit und Druckverluste die momentanen Messwerte beeinflussen.
Der Gasdruck während des Betriebs kann daher nicht unter allen Bedingungen exakt mit dem hydraulischen Druck gleichgesetzt werden.
Besonders wichtig ist die Lage des Drucksensors. Ein Sensor vor einem Absperrventil erfasst bei geschlossenem Ventil möglicherweise nur den Anlagendruck auf seiner Seite. Der Speicher selbst kann weiterhin unter einem anderen Druck stehen.
Aus einem hydraulischen Druckwert von beispielsweise 150 bar lässt sich deshalb nicht direkt ablesen, ob der Speicher ursprünglich mit 70, 80 oder 90 bar Stickstoff vorgefüllt wurde.
Für die Bestimmung des tatsächlichen Vorfülldrucks ist eine separate Prüfung erforderlich, sofern nicht eine ausdrücklich dafür ausgelegte und entsprechend validierte Speicherüberwachung verwendet wird.
6. Den tatsächlichen Gasvorfülldruck richtig prüfen
Der Gasvorfülldruck wird über den dafür vorgesehenen Gasanschluss des Speichers geprüft.
Wesentlich ist der Zustand des hydraulischen Systems. Für eine herkömmliche Vorfülldruckprüfung muss der Speicher entsprechend den Herstelleranweisungen vom Hydrauliksystem getrennt und auf der Flüssigkeitsseite sicher vollständig entlastet sein.
Erst dann beschreibt die Messung am Gasventil den Gasvorfülldruck im vorgesehenen Prüfzustand.
Wird die Gasseite geprüft, während die Hydraulikflüssigkeit noch unter Druck steht und das Gas komprimiert, erhält man dagegen den aktuellen Gasdruck des belasteten Speichers. Dieser kann deutlich oberhalb des eigentlichen Vorfülldrucks liegen.
Bei der Wartung werden dafür geeignete Füll- und Prüfvorrichtungen verwendet. Sie besitzen die erforderlichen Anschlüsse und Funktionen für das kontrollierte Prüfen, gegebenenfalls Befüllen sowie die sichere Druckentlastung der Prüfvorrichtung.
Die bei ICS angebotene MINIMESS Speicherfüll- und Prüfvorrichtung ist für entsprechende Servicearbeiten vorgesehen.
Auch das Gasfüll- und Prüfgerät mit Druckminderventil dient der kontrollierten Befüllung und Druckprüfung von Stickstoffhydraulikspeichern.
Der tatsächliche Prüfablauf richtet sich nach dem Speicherhersteller, der verwendeten Vorrichtung und den geltenden Sicherheitsanforderungen.
Während der eigentlichen Vorfülldruckmessung bleibt die Gasseite naturgemäß unter dem zu messenden Stickstoffdruck. Das ist von Demontage- oder Instandsetzungsarbeiten zu unterscheiden, bei denen je nach Arbeitsumfang eine vollständige Druckentlastung beider Seiten erforderlich ist.
Ausführliche Informationen zu Füllventilen und Wartung enthält der ergänzende ICS-Fachbeitrag Hydrospeicher: Stickstoff prüfen und füllen – Gasfüllventile richtig nutzen.
7. Temperatureinfluss auf den Stickstoffvorfülldruck berücksichtigen
Der Gasvorfülldruck hängt von der Temperatur des Stickstoffs ab. Ein Speicher kann deshalb bei verschiedenen Temperaturen unterschiedliche Gasdrücke anzeigen, obwohl keine Stickstoffmenge verloren gegangen ist.
Für eine erste Betrachtung bei konstantem Gasvolumen kann die ideale Gasgleichung verwendet werden:
p0,2,abs = p0,1,abs · T2 / T1
Die Drücke sind als Absolutdruck einzusetzen. Die Temperaturen werden in Kelvin angegeben.
Ein Beispiel betrachtet einen hydraulisch entlasteten Speicher mit 80 bar Überdruck bei 20 °C. Wird vereinfachend ein Umgebungsdruck von 1 bar angenommen, beträgt der absolute Gasdruck ungefähr 81 bar.
Erwärmt sich das Gas bei unverändertem Volumen auf 40 °C, ergibt sich:
p0,40°C,abs ≈ 81 bar · 313,15 K / 293,15 K ≈ 86,5 bar abs.
Bei einem angenommenen Umgebungsdruck von 1 bar entspricht dies ungefähr 85,5 bar Überdruck.
Die Vorfülldruckanzeige hat sich damit im vereinfachten Modell allein durch die Temperaturänderung um etwa 5,5 bar erhöht.
Das Beispiel zeigt, warum Prüfergebnisse nur bei bekannter Temperatur sinnvoll verglichen werden können.
Besonders nach einem Füllvorgang ist eine ausreichende thermische Stabilisierung wichtig. Durch den Füllprozess können sich Temperatur und Druck zunächst noch verändern.
Ein zu früh abgelesener Gasdruck kann deshalb vom späteren Gleichgewichtszustand abweichen.
Für hohe Drücke und anspruchsvolle Auslegungen können Abweichungen vom idealen Gasverhalten relevant werden. Hersteller wie HYDAC berücksichtigen dafür in ihren Auslegungsverfahren auch das reale Gasverhalten.
Die vereinfachte Temperaturrechnung dient somit der Veranschaulichung und ersetzt nicht die für den konkreten Speicher vorgesehene Herstellerberechnung.
8. Gasdruck und Gasvolumen rechnerisch verknüpfen
Die Energiespeicherung im Hydrospeicher beruht auf der Kompression des Gaspolsters.
Für eine vereinfachte polytrope Betrachtung kann die Beziehung verwendet werden:
p · Vn = konstant
Dabei ist p der absolute Gasdruck, V das Gasvolumen und n der für den betrachteten Vorgang angesetzte Polytropenexponent.
Bei einer idealisierten langsamen, isothermen Zustandsänderung mit näherungsweise konstanter Gastemperatur gilt n = 1.
Bei schnellen Vorgängen ohne wesentlichen Wärmeaustausch kann näherungsweise eine adiabatische Zustandsänderung betrachtet werden. Für idealen zweiatomigen Stickstoff wird dabei häufig ein Exponent von ungefähr 1,4 verwendet.
Reale Hydrospeicher bewegen sich abhängig von Bauart, Temperatur, Zyklusdauer und Wärmeübertragung nicht zwangsläufig exakt innerhalb eines einzigen konstanten Exponenten.
Aus der vereinfachten Beziehung ergibt sich:
V1 = V0 · (p0,abs / p1,abs)1/n
und
V2 = V0 · (p0,abs / p2,abs)1/n
Die aus dem Speicher zwischen den betrachteten Druckzuständen nutzbare Flüssigkeitsmenge ergibt sich im idealisierten Modell aus der Differenz der Gasvolumina:
ΔV = V1 − V2
Dieser Zusammenhang zeigt: Die nutzbare Ölmenge hängt nicht allein vom oberen Hydraulikdruck ab. Auch der ursprüngliche Gasvorfülldruck beeinflusst, wie sich der Speicher zwischen den beiden Druckzuständen verhält.
Für eine genaue Auslegung müssen weitere Einschränkungen der konkreten Speicherbauart berücksichtigt werden. Dazu gehören zulässige Druckverhältnisse, Mindestvolumina, mechanische Grenzen und das thermische Verhalten des Stickstoffs.
9. Rechenbeispiel: Hydrospeicher zwischen 100 und 160 bar
Ein vereinfachtes Beispiel betrachtet einen Hydrospeicher mit einem nutzbaren Referenz-Gasvolumen von 10 Litern.
Der Gasvorfülldruck beträgt 80 bar Überdruck bei der festgelegten Referenztemperatur. Der hydraulische Betriebsdruck schwankt zwischen 100 und 160 bar Überdruck.
Für das Beispiel wird eine langsame, annähernd isotherme Zustandsänderung mit n = 1 angenommen. Außerdem wird der atmosphärische Druck vereinfachend mit 1 bar angesetzt.
Damit ergeben sich die absoluten Drücke:
p0,abs = 81 bar
p1,abs = 101 bar
p2,abs = 161 bar
Für das Gasvolumen beim unteren hydraulischen Arbeitsdruck ergibt sich:
V1 = 10 l · 81 / 101 ≈ 8,02 l
Beim oberen hydraulischen Arbeitsdruck beträgt das Gasvolumen:
V2 = 10 l · 81 / 161 ≈ 5,03 l
Damit ergibt sich zwischen den beiden Druckzuständen ein theoretisch nutzbares Flüssigkeitsvolumen von:
ΔV = 8,02 l − 5,03 l ≈ 2,99 l
Die Tabelle zeigt zusätzlich, wie sich im selben vereinfachten Modell ein geringerer Gasvorfülldruck auswirken würde.
| Parameter | Fall A: 80 bar Vorfüllung | Fall B: 60 bar Vorfüllung |
|---|---|---|
| Referenz-Gasvolumen V0 | 10,0 l | 10,0 l |
| Gasvorfülldruck p0 | 80 bar rel. | 60 bar rel. |
| Hydraulischer Mindestdruck p1 | 100 bar rel. | 100 bar rel. |
| Hydraulischer Höchstdruck p2 | 160 bar rel. | 160 bar rel. |
| Gasvolumen bei p1 | ca. 8,02 l | ca. 6,04 l |
| Gasvolumen bei p2 | ca. 5,03 l | ca. 3,79 l |
| Theoretisch nutzbares Flüssigkeitsvolumen | ca. 2,99 l | ca. 2,25 l |
Der Vergleich zeigt, dass ein niedrigerer Gasvorfülldruck bei gleichen hydraulischen Druckgrenzen nicht automatisch eine größere nutzbare Ölmenge bedeutet.
Im Beispiel sinkt die zwischen 100 und 160 bar nutzbare Flüssigkeitsmenge von ungefähr 2,99 auf 2,25 Liter.
Der Speicher kann trotzdem im hydraulischen Betrieb 160 bar erreichen. Der Drucksensor zeigt dann möglicherweise einen vollkommen normalen oberen Betriebsdruck an, obwohl die nutzbare Volumenreserve gegenüber dem vorgesehenen Zustand abgenommen hat.
Das ist die zentrale Unterscheidung zwischen Betriebsdruck und Gasvorfüllung.
Die Ergebnisse gelten ausschließlich für die vereinfachte isotherme Modellrechnung. Bei schnellen Lade- und Entladevorgängen ergeben sich aufgrund des thermischen Verhaltens andere Volumenwerte.
Außerdem können mechanische und konstruktive Grenzen verhindern, dass das theoretisch berechnete Flüssigkeitsvolumen vollständig genutzt werden kann.
Der tatsächliche Speicher muss deshalb nach den jeweiligen Herstellerangaben dimensioniert und bewertet werden.
10. Die Auswirkungen eines zu niedrigen Vorfülldrucks erkennen
Ein zu niedriger Gasvorfülldruck kann die Funktion eines Hydrospeichers erheblich beeinträchtigen.
Bei einem Energiespeicher kann sich die nutzbare Ölmenge im vorgesehenen Druckbereich verringern. Die Anlage besitzt dann weniger hydraulische Reserve als bei der ursprünglichen Auslegung vorgesehen.
Das kann beispielsweise dazu führen, dass eine Pumpe häufiger eingeschaltet werden muss, eine Druckhaltezeit kürzer wird oder eine hydraulische Funktion nicht mehr ausreichend lange versorgt werden kann.
Bei einer Pulsationsdämpfung kann eine ungeeignete Gasvorfüllung die Dämpfungswirkung verändern. Dadurch können stärkere Druckschwankungen in der Anlage auftreten.
Ein dauerhaft zu niedriger Vorfülldruck kann außerdem dazu führen, dass das Trennelement unter ungünstigen Betriebsbedingungen stärker verformt wird als vorgesehen.
Bei einem Blasenspeicher kann eine ungeeignete Betriebsweise beispielsweise die Blase mechanisch belasten. Bei Kolbenspeichern können andere Verschleiß- und Bewegungsprobleme entstehen.
Ein Gasverlust kann durch Undichtigkeiten am Gasfüllventil, Dichtungen oder andere Defekte entstehen. Auch ein beschädigtes Trennelement ist möglich.
Ein auffälliger hydraulischer Druckverlauf kann einen Hinweis auf ein Problem mit der Vorfüllung liefern. Er ist jedoch kein eindeutiger Nachweis.
Ähnliche Symptome können durch interne Leckagen, Ventilprobleme, eine veränderte Pumpenförderung oder einen geänderten hydraulischen Verbrauch verursacht werden.
Für eine sichere Diagnose muss daher die Gasvorfüllung getrennt geprüft werden.
11. Einen zu hohen Vorfülldruck richtig bewerten
Nicht nur ein zu niedriger, sondern auch ein zu hoher Gasvorfülldruck kann problematisch sein.
Wenn der Vorfülldruck den vorgesehenen unteren hydraulischen Arbeitsdruck erreicht oder überschreitet, kann das Verhalten des Speichers erheblich vom geplanten Betriebszustand abweichen.
Unterhalb des wirksamen Gasdrucks wird möglicherweise keine oder nur eine sehr geringe Hydraulikflüssigkeitsmenge in den Speicher aufgenommen.
Der Speicher steht damit für die vorgesehene Energieabgabe oder Druckdämpfung unter Umständen nicht in dem notwendigen Umfang zur Verfügung.
Beim Entladen kann das Trennelement außerdem einen mechanischen Endzustand erreichen, bevor der vorgesehene hydraulische Mindestdruck erreicht ist.
Solche Zustände können bei ungeeigneter Auslegung zu unerwünschten mechanischen Belastungen führen.
Ein hoher Vorfülldruck bedeutet deshalb nicht automatisch, dass besonders viel Energie gespeichert werden kann.
Die geeignete Gasvorfüllung hängt von der Speicherbauart, dem Arbeitsdruckbereich, der vorgesehenen Funktion und den zulässigen Druckverhältnissen ab.
Auch ein allgemeiner Prozentwert wie 90 % des unteren Betriebsdrucks ist nicht für jede Speicheraufgabe gültig.
Der richtige Vorfülldruck muss aus der Herstellerberechnung beziehungsweise der technischen Auslegung der Anlage hervorgehen.
12. Den richtigen hydraulischen Druckmesspunkt auswählen
Die Position eines Drucksensors ist für die Aussagekraft der Hydrospeicherüberwachung entscheidend.
Soll der tatsächliche hydraulische Druck am Speicher erfasst werden, muss die Messstelle mit dem vorgesehenen hydraulischen Speicheranschluss verbunden sein.
Bei vielen Anlagen befindet sich zwischen dem Hydrospeicher und der übrigen Hydraulik ein geeigneter Sicherheits- beziehungsweise Absperrblock.
Dieser kann unterschiedliche Ventil- und Sicherheitsfunktionen enthalten. Seine genaue Ausführung ist abhängig vom Speicher und der Anwendung.
Wird der Drucksensor auf der Anlagenseite eines Absperrventils montiert, kann er bei geschlossenem Ventil einen anderen Druck erfassen als den im Speicher vorhandenen.
Für die Überwachung des tatsächlichen Speicherzustands kann daher eine Messstelle auf der vorgesehenen Speicherseite des relevanten Absperrorgans erforderlich sein.
Die Position muss mit der hydraulischen Verschaltung und den Sicherheitsanforderungen abgestimmt werden.
Auch die Höhe der Messstelle kann bei großen vertikalen Anlagen einen hydrostatischen Einfluss verursachen. Zwischen zwei Messpunkten unterschiedlicher Höhe kann bei ruhender Flüssigkeit ein Druckunterschied bestehen.
Bei dynamischer Strömung kommen weitere Druckverluste hinzu.
Für eine aussagekräftige Messung müssen deshalb sowohl die Position des Sensors als auch der Betriebszustand der Ventile bekannt sein.
Die hydraulische Druckmessstelle darf außerdem nicht mit dem separaten Stickstoff-Füllanschluss verwechselt werden.
Ein Drucksensor am Ölanschluss misst nicht automatisch den Gasvorfülldruck.
13. Messbereich und Drucksensor für den Hydrospeicher auslegen
Ein Druckmessumformer für die Hydrauliküberwachung muss zum tatsächlichen Betriebsdruck und den maximal möglichen Belastungen passen.
Für die Auswahl werden der normale Arbeitsbereich, der maximal zulässige Betriebsdruck, mögliche Druckspitzen und die Anforderungen an die Messgenauigkeit benötigt.
Auch die Überlastfestigkeit und die zulässige Zahl von Drucklastwechseln können von Bedeutung sein.
Ein Beispiel ist eine Hydraulikanlage, die gewöhnlich zwischen 100 und 160 bar betrieben wird. Für diese Anwendung könnte ein entsprechend geeigneter Drucksensor mit einem Messbereich von beispielsweise 0 … 200 oder 0 … 250 bar infrage kommen.
Die tatsächliche Auswahl darf jedoch nicht allein anhand des oberen Betriebsdrucks erfolgen.
Wenn beim Schalten von Ventilen kurzzeitig wesentlich höhere Drücke auftreten, müssen diese Belastungen ebenfalls berücksichtigt werden.
Ein größerer Messbereich verbessert zwar die mögliche Aussteuerungsreserve, kann aber die Auflösung und die absolute Messunsicherheit bei kleineren Druckänderungen beeinträchtigen.
Für die langfristige Drucküberwachung ist deshalb ein geeigneter Kompromiss zwischen Messbereich, Genauigkeit, dynamischer Belastbarkeit und mechanischer Robustheit erforderlich.
Der WIKA S-20 besitzt unterschiedliche Messbereiche und Ausgangssignale und eignet sich für anspruchsvolle industrielle Druckmessungen.
Der Druck UNIK 5000 bietet zusätzliche Konfigurationsmöglichkeiten hinsichtlich Messbereich, elektrischer Anbindung und Druckmessverfahren.
Beide Sensorfamilien können für geeignete hydraulische Messstellen interessant sein. Die konkrete Medienverträglichkeit, Druckfestigkeit und Anschlussausführung müssen jedoch anhand des ausgewählten Typs überprüft werden.
14. Druckspitzen, Pulsationen und Messdynamik erfassen
Hydrospeicher werden häufig eingesetzt, um dynamische Druckänderungen zu beeinflussen. Deshalb kann die zeitliche Auflösung der Druckmessung besonders wichtig sein.
Bei einer einfachen Betriebsdrucküberwachung genügt möglicherweise eine vergleichsweise langsam aktualisierte Druckanzeige.
Für die Untersuchung kurzer Druckspitzen oder schneller Druckpulsationen kann dagegen eine deutlich höhere Messbandbreite und Abtastrate erforderlich sein.
Ein Drucksensor kann prinzipiell schnelle Druckänderungen erfassen, während eine nachgeschaltete Steuerung den Messwert nur langsam verarbeitet.
Auch eine elektronische Dämpfung kann dazu führen, dass kurze Druckspitzen in der Anzeige kaum erkennbar sind.
Die Messkette muss deshalb vollständig betrachtet werden: Drucksensor, Signalaufbereitung, Datenübertragung, Steuerung und Aufzeichnung.
Der UNIK 5000 ist je nach Konfiguration für einen hohen Frequenzgang ausgelegt und kann daher für bestimmte dynamische Druckmessungen geeignet sein.
Ob die tatsächliche Ausführung eine bestimmte Druckspitze ausreichend schnell erfasst, hängt unter anderem von der Sensorvariante und der angeschlossenen Datenerfassung ab.
Auch die mechanische Messanbindung beeinflusst das Ergebnis. Lange Messschläuche, zusätzliche eingeschlossene Gasvolumina oder ungünstige Messbohrungen können Druckschwingungen verändern oder zusätzliche Resonanzen erzeugen.
Ein vermeintlich ruhiger Druckverlauf bedeutet deshalb nicht zwangsläufig, dass am Speicher keine schnellen Druckereignisse auftreten.
Bei der Diagnose sollten Messbandbreite und zeitliche Auflösung zur Frequenz und Dauer der erwarteten Druckänderungen passen.
15. Pumpenschaltpunkte und hydraulische Druckgrenzen überwachen
Bei vielen Energiespeicheranwendungen wird der Hydrospeicher durch eine Hydraulikpumpe geladen. Erreicht das System den oberen vorgesehenen Druckwert, wird die Pumpe beispielsweise abgeschaltet oder entlastet.
Sinkt der Druck später auf einen unteren Wert, kann die Pumpe erneut anlaufen.
Diese beiden Schaltpunkte werden häufig mit einem Drucksensor, einem elektronischen Druckschalter oder einem entsprechend geeigneten mechanischen Druckschalter überwacht.
Für eine Anlage mit einem Arbeitsbereich von 100 bis 160 bar können die vorgesehenen oberen und unteren Schaltpunkte beispielsweise innerhalb dieses Bereichs liegen.
Die konkreten Grenzwerte müssen aus der Hydraulikauslegung hervorgehen.
Ein Schaltpunkt ist nicht automatisch mit dem Gasvorfülldruck gleichzusetzen.
Auch die Hysterese der Drucküberwachung ist wichtig. Eine ungünstige Einstellung kann zu häufigem Pumpenschalten führen.
Für die Diagnose ist daher interessant, wie oft die Pumpe einschaltet, wie lange der Ladevorgang dauert und wie schnell der Druck nach dem Abschalten wieder sinkt.
Ändern sich diese Größen über längere Zeit, kann dies auf eine veränderte Speicherwirkung hindeuten.
Allerdings können auch hydraulische Leckagen, andere Verbraucher, Pumpenverschleiß oder Ventilprobleme das Verhalten beeinflussen.
Die laufende Überwachung der Pumpenschaltpunkte ist deshalb ein nützlicher Bestandteil der Zustandsdiagnose, aber kein Ersatz für eine tatsächliche Gasvorfülldruckprüfung.
16. Druck-Zeit-Verläufe zur Speicherdiagnose nutzen
Eine kontinuierliche Druckaufzeichnung kann wichtige Hinweise auf den Zustand eines Hydrospeichers liefern.
Besonders aussagekräftig ist häufig der zeitliche Verlauf zwischen dem oberen und unteren Betriebsdruck.
Bei einer definierten Last kann beispielsweise die Zeit gemessen werden, die der Speicher benötigt, um von 160 auf 100 bar zu entladen.
Verkürzt sich diese Zeit über mehrere vergleichbare Prüfungen, könnte die verfügbare hydraulische Energiemenge abgenommen haben.
Eine mögliche Ursache ist ein Verlust der Stickstoffvorfüllung. Andere Ursachen sind jedoch ebenfalls denkbar, etwa eine zusätzliche hydraulische Leckage oder ein veränderter Flüssigkeitsverbrauch.
Deshalb muss die tatsächlich entnommene Flüssigkeitsmenge beziehungsweise die Betriebsbedingung bekannt sein, wenn der Druckverlauf quantitativ bewertet werden soll.
Auch der Druckanstieg während des Ladevorgangs kann interessant sein.
Eine deutliche Veränderung der Druckanstiegszeit kann auf ein verändertes Zusammenspiel aus Pumpenförderung, Speicherfüllung und hydraulischem Verbrauch hinweisen.
Bei entsprechend langsamer, kontrollierter Entladung können in bestimmten Anlagen charakteristische Änderungen der Druck-Volumen-Kennlinie auftreten, wenn der Speicher seinen entladenen Zustand erreicht.
Solche Veränderungen können unter geeigneten Bedingungen Hinweise auf den wirksamen Gasvorfülldruck geben.
Allerdings ist eine indirekte Bestimmung aus der hydraulischen Druckkurve nur dann belastbar, wenn das verwendete Verfahren für die Speicherbauart und die konkrete Anlage vorgesehen und validiert wurde.
Kolbenreibung, dynamische Druckverluste, Temperaturänderungen und die Verschaltung der Hydraulikanlage können das Ergebnis beeinflussen.
Für die routinemäßige Diagnose ist daher eine Kombination aus Drucktrend, Pumpenstatus und gegebenenfalls weiteren Prozessdaten besonders hilfreich.
17. Gasverlust, Hydrauliklecks und Ventilfehler unterscheiden
Ein Druckabfall in einer Hydraulikanlage muss nicht zwangsläufig durch einen Verlust der Gasvorfüllung entstehen.
Auch eine interne Leckage an einem Ventil, ein undichter Zylinder oder eine beschädigte Dichtung kann den hydraulischen Druck verändern.
Wenn der Hydrospeicher weniger Öl bereitstellt als erwartet, muss deshalb zwischen einem Problem der Gasseite und einem Problem des hydraulischen Kreislaufs unterschieden werden.
Ein niedriger Gasvorfülldruck kann beispielsweise dazu führen, dass die nutzbare Ölmenge im vorgesehenen Arbeitsbereich geringer ist.
Eine interne hydraulische Leckage kann dagegen bewirken, dass die vorhandene Flüssigkeitsreserve schneller verbraucht wird.
Beide Fehler können sich durch häufigeres Pumpenschalten oder kürzere Druckhaltezeiten äußern.
Auch ein nicht vollständig schließendes Rückschlagventil kann zu einem unerwarteten Druckabfall führen.
Bei Kolbenspeichern sind zusätzlich mögliche interne Undichtigkeiten zwischen Gas- und Flüssigkeitsraum zu betrachten.
Bei Blasen- oder Membranspeichern kann ein beschädigtes Trennelement die Funktion erheblich beeinträchtigen.
Eine sichere Diagnose benötigt deshalb mehr als eine einzelne Druckanzeige.
Gegebenenfalls sind eine gesonderte Prüfung der Gasvorfüllung, die Untersuchung der hydraulischen Ventile sowie weitere vom Hersteller vorgesehene Diagnoseverfahren erforderlich.
Wichtig ist dabei, die einzelnen Prüfungen nur im geeigneten sicheren Anlagenzustand durchzuführen.
18. Prozessanschlüsse, Messkupplungen und Einbau berücksichtigen
Die mechanische Anbindung eines Drucksensors muss zum vorhandenen hydraulischen Anschluss passen.
Entscheidend sind insbesondere Anschlussgewinde, Dichtprinzip, zulässiger Druck, Temperatur und der verwendete hydraulische Messstoff.
Ein Gewinde allein garantiert noch keine korrekte Abdichtung. Bei verschiedenen Anschlussarten erfolgt die Dichtung beispielsweise über einen O-Ring, eine Flachdichtung, einen metallischen Dichtkonus oder eine andere definierte Dichtfläche.
Eine falsche Kombination aus Anschluss und Dichtelement kann zu Leckagen oder mechanischen Beschädigungen führen.
Für wiederkehrende Serviceprüfungen können geeignete hydraulische Messkupplungen hilfreich sein. Sie ermöglichen den Anschluss eines Prüfmanometers oder einer Messleitung an die vorgesehene Messstelle.
Für die Gasseite eines Hydrospeichers werden dagegen dafür ausgelegte Gasfüllventile und entsprechende Füll- und Prüfvorrichtungen benötigt.
Die beiden Anschlussarten dürfen nicht verwechselt werden.
Bei ICS ist beispielsweise das Original MINIMESS 1615 Gasfüllventil mit Speicheradapter erhältlich. Es ist für entsprechende Gas-Servicezugänge an Blasenspeichern vorgesehen und wird in passenden Ausführungen für Betriebsdrücke bis 400 bar angeboten.
Die tatsächliche Eignung muss anhand des konkreten Speichers, Anschlusses und der freigegebenen Betriebsbedingungen geprüft werden.
Auch ein hydraulischer Messanschluss benötigt die entsprechende Druckfestigkeit und Medienverträglichkeit. Wird eine Messleitung verwendet, müssen deren zulässiger Druck, Dichtungen, Kupplungen und dynamische Belastbarkeit berücksichtigt werden.
Eine unnötig lange Messleitung kann außerdem die dynamische Druckmessung beeinflussen.
Der mechanische Einbau ist damit ein wesentlicher Teil der Messsicherheit und nicht lediglich eine Frage passender Gewindeabmessungen.
19. Stickstoff, Restdruck und hydraulische Speicherenergie sicher beherrschen
Hydrospeicher können erhebliche Energiemengen speichern. Das gilt auch dann, wenn die Hydraulikpumpe ausgeschaltet und die elektrische Anlage spannungsfrei ist.
Ein abgeschalteter Antrieb bedeutet deshalb nicht automatisch, dass der Speicher drucklos ist.
Vor Prüf-, Wartungs- oder Instandsetzungsarbeiten müssen die erforderlichen sicheren Anlagenzustände nach den Herstelleranweisungen hergestellt und überprüft werden.
Insbesondere sind hydraulische Restdrücke und die jeweiligen Zustände der Gas- und Flüssigkeitsseite zu beachten.
Die konventionelle Prüfung des Gasvorfülldrucks erfordert die sichere Entlastung der hydraulischen Seite. Das Stickstoffgas selbst bleibt dabei während der vorgesehenen Messung unter Druck.
Bei Arbeiten, die eine Demontage des Speichers, Öffnung des Gasraums oder andere entsprechende Eingriffe erfordern, können darüber hinaus zusätzliche Maßnahmen zur vollständigen Druckentlastung erforderlich sein.
Zum Befüllen dürfen nur die vom Speicherhersteller zugelassenen Gase eingesetzt werden. Bei üblichen stickstoffvorgefüllten Hydrospeichern ist dafür entsprechend spezifizierter Stickstoff vorgesehen.
**Sauerstoff oder Druckluft dürfen nicht als Ersatz für Stickstoff verwendet werden.** Dadurch können insbesondere gefährliche Reaktionen mit Hydrauliköl und erhebliche Sicherheitsrisiken entstehen.
Für die Befüllung werden geeignete Füll- und Prüfvorrichtungen, zugelassene Anschlüsse und gegebenenfalls Druckminderventile verwendet.
Die zulässigen Drücke und die erforderliche Vorgehensweise müssen dem konkreten Speicher entsprechen.
Auch das unkontrollierte Öffnen eines Gasfüllventils oder Lösen eines unter Druck stehenden Anschlusses ist unzulässig.
Normative Grundlagen sind unter anderem DIN EN 14359:2017 für entsprechende Gasdruckspeicher und ISO 4413:2010 für die allgemeinen Sicherheitsanforderungen an hydraulische Systeme.
Die Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU kann abhängig von der Ausführung und dem Anwendungsfall weitere Anforderungen an die Druckgeräte und ihre Konformität stellen.
Die konkrete Prüfung und Wartung muss stets nach den geltenden Vorschriften und den Anweisungen des Speicherherstellers erfolgen.
20. Einen systematischen Prüf- und Diagnoseablauf durchführen
Für eine aussagekräftige Speicherdiagnose sollten hydraulische Betriebsüberwachung und Gasvorfülldruckprüfung bewusst getrennt werden.
Der folgende Ablauf beschreibt eine allgemeine Prüfstruktur. Die konkrete Durchführung setzt entsprechend qualifiziertes Fachpersonal und ein für die Anlage freigegebenes sicheres Verfahren voraus.
- Speicher identifizieren: Bauart, Hersteller, Typ, Speichervolumen, zulässigen Druck und vorhandene Dokumentation erfassen.
- Prüfziel festlegen: Unterscheiden, ob der hydraulische Betriebsdruck überwacht oder der tatsächliche Gasvorfülldruck überprüft werden soll.
- Hydraulikverschaltung dokumentieren: Speicheranschluss, Absperrventile, Sicherheitsblock, Drucksensoren und mögliche Messkupplungen eindeutig zuordnen.
- Betriebsdaten aufnehmen: Vorgesehenen Gasvorfülldruck, hydraulischen Mindest- und Höchstdruck sowie die zulässigen Temperaturbedingungen erfassen.
- Druckmesstechnik überprüfen: Messbereich, Genauigkeit, Kalibrierstatus, Prozessanschluss und zeitliches Messverhalten beurteilen.
- Hydraulischen Druckverlauf erfassen: Bei geeigneten sicheren Betriebsbedingungen Lade- und Entladevorgänge dokumentieren.
- Pumpen- und Ventilzustände zuordnen: Schaltpunkte, Ladezeiten und gegebenenfalls Druckhaltezeiten bewerten.
- Messwerte plausibilisieren: Prüfen, ob Drucksensor und Speicher unter den betrachteten Ventilstellungen tatsächlich hydraulisch verbunden sind.
- Temperaturbedingungen dokumentieren: Relevante Betriebs- und Prüftemperaturen erfassen.
- Separate Vorfülldruckprüfung vorbereiten: Herstellerverfahren, benötigte Füll- und Prüfvorrichtung sowie Sicherheitsmaßnahmen festlegen.
- Hydraulikseite sicher entlasten: Den Speicher für die herkömmliche Gasvorfülldruckprüfung entsprechend den Herstelleranweisungen hydraulisch absperren und vollständig entlasten.
- Gasvorfülldruck prüfen: Am vorgesehenen Gasfüllanschluss mit dafür zugelassener Messtechnik und nach dem freigegebenen Verfahren messen.
- Temperatur berücksichtigen: Gemessenen Vorfülldruck mit dem vorgesehenen Referenzwert bei vergleichbarer Temperatur bewerten.
- Messwerte vergleichen: Gasvorfülldruck und hydraulische Betriebsdrücke als unterschiedliche Zustandsgrößen dokumentieren.
- Fehlerursache eingrenzen: Bei Auffälligkeiten Gasverlust, hydraulische Leckagen, Ventilfehler und mögliche Probleme der Druckmesstechnik unterscheiden.
- Notwendige Maßnahmen durchführen: Erforderliche Einstellungen oder Reparaturen ausschließlich nach Herstellerfreigabe vornehmen.
- Funktion erneut prüfen: Nach der Instandsetzung den vorgesehenen sicheren Betriebszustand wiederherstellen und die Speicherfunktion überprüfen.
- Dokumentation abschließen: Betriebsdruck, Vorfülldruck, Temperatur, Prüfbedingungen und gegebenenfalls festgelegte Folgemaßnahmen festhalten.
Besonders wichtig ist, dass eine normale hydraulische Druckanzeige nicht als Ersatz für den gemessenen Gasvorfülldruck eingetragen wird.
Auch sollte der Speicher nicht vorschnell mit zusätzlichem Stickstoff befüllt werden, ohne den tatsächlichen Vorfülldruck und die zulässigen Herstellerbedingungen geprüft zu haben.
Wiederkehrende Prüfintervalle sind entsprechend Herstellerangaben, Betriebsbedingungen und den jeweils anwendbaren Vorschriften festzulegen.
21. Typische Fehlerbilder und Fehlinterpretationen erkennen
Die folgenden Beobachtungen können Hinweise auf einen veränderten Speicherzustand liefern. Die tatsächliche Ursache muss jedoch am konkreten Hydrauliksystem nachgewiesen werden.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Hydraulischer Druck erreicht den vorgesehenen Höchstwert, nutzbare Ölmenge ist jedoch zu gering | Ungeeigneter oder verringerter Gasvorfülldruck | Gasvorfüllung im vorgesehenen hydraulisch entlasteten Zustand prüfen |
| Pumpe schaltet häufiger als zuvor | Verringerte Speicherreserve, veränderter Verbrauch oder hydraulische Leckage | Druck-Zeit-Verlauf, Verbrauch und tatsächlichen Vorfülldruck getrennt bewerten |
| Hydraulischer Druck sinkt bei Stillstand ungewöhnlich schnell | Interne Leckage, undichtes Ventil oder veränderte Speicherfunktion | Hydraulische Verschaltung und Speicherzustand untersuchen |
| Vorfülldruck ist bei warmer Anlage höher als bei kalter Prüfung | Temperaturabhängige Änderung des Stickstoffdrucks | Gastemperatur und Druck auf eine geeignete Referenzbedingung beziehen |
| Gasdruckanzeige bei laufender Hydraulik liegt weit über dem dokumentierten Vorfülldruck | Gaspolster wurde durch Hydraulikflüssigkeit komprimiert | Betriebsgasdruck und Gasvorfülldruck als unterschiedliche Zustände interpretieren |
| Drucksensor zeigt trotz entladenem Speicherkreis weiterhin Druck | Messstelle liegt auf anderer Ventilseite oder Druck ist noch eingeschlossen | Messstellenposition, Ventilstellungen und sichere Restdruckfreiheit prüfen |
| Starke Druckpulsationen trotz eingebautem Speicher | Ungeeignete Vorfüllung, falsche Speicherauslegung oder dynamische Systemeinflüsse | Gasvorfüllung, Frequenzverhalten und hydraulische Verschaltung prüfen |
| Druckanzeige ist ruhig, Anlage zeigt jedoch Stoßbelastungen | Messgerät oder Datenerfassung möglicherweise zu langsam beziehungsweise stark gedämpft | Messbandbreite, Abtastrate und mechanische Messanbindung kontrollieren |
| Vorfülldruck sinkt zwischen wiederkehrenden Prüfungen | Möglicher Stickstoffverlust oder unterschiedliche Temperaturbedingungen | Temperaturbezogene Prüfwerte vergleichen und Gasdichtheit nach Herstellerverfahren beurteilen |
| Speicher nimmt beim unteren Betriebsdruck kaum noch Flüssigkeit auf | Gasvorfülldruck möglicherweise zu hoch | Vorgesehene Druckverhältnisse und tatsächlichen Gasvorfülldruck prüfen |
| Digitalmanometer und Drucktransmitter zeigen unterschiedliche Werte | Unterschiedliche Messpunkte, Druckreferenzen, Genauigkeiten oder Signalfehler | Messort, Relativ-/Absolutdruck und Kalibrierstatus vergleichen |
| Nach einer Wartung verändert sich der Druckverlauf auffällig | Geänderte Vorfüllung, Ventilstellung, Luft im Hydrauliksystem oder mechanische Störung | Wartungsumfang, Gasvorfüllung und hydraulischen Betriebszustand kontrollieren |
Die Tabelle enthält mögliche Ursachen und geeignete Diagnoseansätze, aber keine eindeutigen Fehlernachweise.
Besonders wichtig ist die Unterscheidung zwischen Gasverlust und hydraulischer Leckage. Beide können zu einer kürzeren Druckhaltezeit führen, besitzen aber unterschiedliche Ursachen und erfordern unterschiedliche Maßnahmen.
Eine veränderte Druckkurve sollte deshalb immer im Zusammenhang mit dem tatsächlichen Flüssigkeitsverbrauch, der Pumpenfunktion und dem Speicherzustand bewertet werden.
22. Passende Druckmesstechnik und Speicherprüftechnik von ICS Schneider
22.1 Druck UNIK 5000: Konfigurierbarer Drucksensor für Hydraulik und Maschinenbau
Der Druck UNIK 5000 von Baker Hughes ist eine konfigurierbare Drucksensorplattform für industrielle Druckmessungen.
Die Serie bietet unterschiedliche Druckmessarten, Messbereiche, Ausgangssignale und mechanische Anschlussvarianten.
Je nach Ausführung sind Druckbereiche bis 700 bar verfügbar. Die Genauigkeitsvarianten reichen bis ±0,04 % des Endwerts nach BSL.
Zusätzlich besitzt die Serie eine hohe Überdruckfestigkeit und entsprechend der Konfiguration ein schnelles dynamisches Ansprechverhalten.
Für die Drucküberwachung eines Hydrospeichers kann der UNIK 5000 beispielsweise eingesetzt werden, um den hydraulischen Betriebsdruck kontinuierlich an eine Steuerung oder eine geeignete Datenerfassung zu übertragen.
Besonders für Prüfstände und dynamische Anwendungen ist die Auswahl der passenden Messbandbreite und des Ausgangssignals wichtig.
Der Sensor misst den Druck an seinem hydraulischen Prozessanschluss. Er ersetzt daher nicht die separate Prüfung des Stickstoffvorfülldrucks am Gasfüllventil.
22.2 WIKA S-20: Industrieller Druckmessumformer für Hydraulikanwendungen
Der WIKA S-20 ist ein industrieller Druckmessumformer für anspruchsvolle Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau.
Er besitzt eine robuste Bauform sowie unterschiedliche elektrische und mechanische Anschlussmöglichkeiten.
Die Serie bietet Messbereiche von 0 … 0,4 bar bis 0 … 1.600 bar. Je nach Ausführung stehen beispielsweise 4 … 20 mA sowie unterschiedliche Spannungsausgänge zur Verfügung.
Für die Überwachung des hydraulischen Betriebsdrucks kann der S-20 eine geeignete Lösung sein, wenn die konkrete Ausführung zur Flüssigkeit, zum Druckbereich und zu den dynamischen Belastungen passt.
In Verbindung mit einer Steuerung lassen sich beispielsweise Mindest- und Höchstdruck überwachen sowie Lade- und Entladevorgänge auswerten.
Die genaue Einbauposition muss so gewählt werden, dass die Messung den vorgesehenen Speicherzustand erfasst.
Auch dieser Sensor dient bei hydraulischer Montage nicht der direkten Bestimmung des Gasvorfülldrucks.
22.3 WIKA CPG1500: Präzisions-Digitalmanometer für Service und Druckprüfung
Das WIKA CPG1500 ist ein batteriebetriebenes Präzisions-Digitalmanometer für Wartung, Druckprüfung und Kalibrieraufgaben.
Es ist mit unterschiedlichen Messbereichen bis 10.000 bar erhältlich und bietet je nach Ausführung eine Genauigkeit bis 0,025 % des Endwerts.
Zu den Funktionen gehören MIN-/MAX-Werterfassung, auswählbare Druckeinheiten und eine Datenloggerfunktion mit einer Messrate von bis zu 50 Werten pro Sekunde.
Das Gerät eignet sich damit für entsprechende Vergleichs- und Serviceprüfungen sowie für die zeitliche Dokumentation von Druckänderungen.
Für die Hydrospeicherwartung ist eine geeignete Druckbereichs- und Anschlussausführung erforderlich.
Bei der Prüfung der Stickstoffseite dürfen ausschließlich geeignete und freigegebene Gasanschlüsse sowie die vorgesehenen Speicherfüll- und Prüfvorrichtungen verwendet werden.
Das CPG1500 allein ist keine vollständige Speicherfüll- und Prüfvorrichtung.
22.4 MINIMESS Speicherfüll- und Prüfvorrichtung: Gasvorfülldruck kontrollieren
Die Original MINIMESS Speicherfüll- und Prüfvorrichtung dient dem Befüllen und Überprüfen entsprechend geeigneter Stickstoffhydraulikspeicher.
Sie ermöglicht entsprechende Servicearbeiten über den vorgesehenen Gasfüllanschluss.
Die Vorrichtung besitzt Funktionen zum kontrollierten Anschließen, Prüfen und Entlasten entsprechend dem vorgesehenen Systemaufbau.
Bei wiederkehrenden Wartungsarbeiten kann sie helfen, den Gasvorfülldruck unter definierten Bedingungen zu kontrollieren.
Für die Auswahl sind insbesondere die verwendete Gasfüllventilausführung, der maximale Druck, die erforderlichen Adapter und die Herstellerfreigabe entscheidend.
Wichtig ist die fachliche Abgrenzung: Die Füll- und Prüfvorrichtung dient zur Kontrolle und gegebenenfalls Einstellung der Gasvorfüllung. Ein dauerhaft installierter hydraulischer Drucksensor übernimmt dagegen die laufende Überwachung des Betriebsdrucks.
22.5 MINIMESS 1615: Gasfüllventil mit Speicheradapter
Das Original MINIMESS 1615 Gasfüllventil mit Speicheradapter ist für geeignete Blasenspeicher vorgesehen.
Es ermöglicht einen definierten Gas-Servicezugang und ist in entsprechenden Ausführungen für Betriebsdrücke bis 400 bar erhältlich.
Die konkrete Montage erfolgt am dafür vorgesehenen Gasanschluss des Speichers.
Die Auswahl hängt von der vorhandenen Speicherbauart, der Gasventilausführung und den mechanischen Anschlussbedingungen ab.
Das Gasfüllventil darf nicht mit einem gewöhnlichen hydraulischen Prüfanschluss verwechselt werden.
Der für die Stickstoffseite ausgelegte Anschluss dient nicht automatisch als Messstelle für den hydraulischen Betriebsdruck.
Weitere passende Komponenten wie Gasfüll- und Prüfgeräte mit Druckminderventil sind innerhalb des MINIMESS-Sortiments von ICS Schneider erhältlich.
Eine Übersicht weiterer Messgeräte, Drucksensoren und Prüflösungen bietet die Kategorie Druckmesstechnik von ICS Schneider.
23. Fazit: Betriebsdruck überwachen und Gasvorfüllung getrennt prüfen
Ein Hydrospeicher besitzt unterschiedliche Druckzustände, die nicht miteinander verwechselt werden dürfen.
Der Gasvorfülldruck beschreibt den Stickstoffdruck im dafür vorgesehenen hydraulisch entlasteten Referenzzustand. Während des Betriebs wird das Gas durch einströmende Hydraulikflüssigkeit komprimiert. Der Gasdruck steigt dabei an und steht unter geeigneten Bedingungen ungefähr im Gleichgewicht mit dem hydraulischen Druck.
Ein Drucksensor auf der Flüssigkeitsseite erfasst deshalb den aktuellen hydraulischen Betriebsdruck, aber nicht automatisch die ursprüngliche Gasvorfüllung.
Auch eine normale obere Betriebsdruckanzeige beweist noch nicht, dass der Speicher die vorgesehene Flüssigkeitsreserve besitzt.
Für eine belastbare Diagnose müssen der hydraulische Druckverlauf, die Speicherfunktion und der tatsächliche Gasvorfülldruck getrennt betrachtet werden.
Besonders hilfreich sind die Dokumentation von Lade- und Entladezeiten, Pumpenschaltpunkten und gegebenenfalls der tatsächlich entnommenen Ölmenge.
Hinzu kommt die Temperatur. Bereits eine vergleichsweise geringe Temperaturänderung kann den Stickstoffvorfülldruck merklich verändern.
Für die sichere Wartung müssen außerdem die vom Hersteller vorgesehenen Füll- und Prüfvorrichtungen sowie die vorgeschriebenen Druckentlastungs- und Sicherheitsmaßnahmen verwendet werden.
Speicherbauart identifizieren → Gasvorfülldruck und hydraulische Druckgrenzen unterscheiden → Messstelle auswählen → Druckbereich und Sensorik festlegen → Lade- und Entladeverlauf überwachen → Auffälligkeiten analysieren → Gasvorfüllung im vorgesehenen entlasteten Zustand separat prüfen → Temperatur berücksichtigen → Speicherfunktion bewerten → Ergebnisse dokumentieren
Der wichtigste praktische Grundsatz lautet damit: Der hydraulische Betriebsdruck beschreibt den momentanen Anlagenzustand. Der Gasvorfülldruck bestimmt wesentlich die verfügbare Speicherreserve. Beide Werte gehören zusammen, müssen aber unter unterschiedlichen Bedingungen gemessen und bewertet werden.
24. Häufige Fragen zur Drucküberwachung von Hydrospeichern
24.1 Was ist der Unterschied zwischen Gasvorfülldruck und hydraulischem Betriebsdruck?
Der Gasvorfülldruck beschreibt den Stickstoffdruck im vorgesehenen Vorfüllzustand bei hydraulisch entlasteter Flüssigkeitsseite. Der hydraulische Betriebsdruck beschreibt dagegen den Druck während des Anlagenbetriebs. Wenn Hydraulikflüssigkeit in den Speicher strömt, wird das Gas komprimiert und sein Druck steigt.
24.2 Warum zeigt der Hydrospeicher im Betrieb 160 bar an, obwohl der Vorfülldruck nur 80 bar beträgt?
Die Hydraulikflüssigkeit komprimiert das Stickstoffgas während der Speicherbeladung. Im annähernd statischen Gleichgewicht können Gasdruck und hydraulischer Betriebsdruck ungefähr gleich hoch sein. Der ursprüngliche Vorfülldruck von 80 bar beschreibt jedoch einen anderen, hydraulisch entlasteten Zustand.
24.3 Kann ich den Gasvorfülldruck mit einem hydraulischen Drucksensor messen?
Ein hydraulischer Drucksensor misst zunächst den Druck an seiner hydraulischen Messstelle. Aus dem aktuellen Betriebsdruck allein lässt sich der Gasvorfülldruck nicht zuverlässig bestimmen. Für die herkömmliche Vorfülldruckprüfung ist eine gesonderte Messung am vorgesehenen Gasanschluss im hydraulisch entlasteten Zustand erforderlich.
24.4 Warum muss die Hydraulikseite für die Vorfülldruckprüfung entlastet werden?
Solange Hydraulikflüssigkeit das Gaspolster komprimiert, liegt der aktuelle Gasdruck über dem ursprünglichen Vorfülldruck. Für eine richtige Vorfülldruckmessung muss dieser Einfluss entsprechend dem Herstellerverfahren beseitigt werden. Deshalb wird die Flüssigkeitsseite sicher vollständig entlastet.
24.5 Welcher Gasvorfülldruck ist für einen Hydrospeicher richtig?
Der geeignete Vorfülldruck hängt von Speicherbauart, Funktion, Mindest- und Höchstbetriebsdruck sowie Temperaturbedingungen ab. Für bestimmte Energiespeicheranwendungen empfiehlt HYDAC beispielsweise einen Vorfülldruck von etwa 90 % des Mindestbetriebsdrucks. Dieser Wert ist jedoch nicht universell auf alle Hydrospeicher übertragbar.
24.6 Was passiert, wenn der Gasvorfülldruck zu niedrig ist?
Ein zu niedriger Vorfülldruck kann die im vorgesehenen Arbeitsdruckbereich nutzbare Flüssigkeitsmenge reduzieren. Dadurch können kürzere Druckhaltezeiten, häufigeres Pumpenschalten und eine schlechtere Dämpfungswirkung entstehen. Zusätzlich können ungünstige Belastungen des Trennelements auftreten.
24.7 Was passiert, wenn der Gasvorfülldruck zu hoch ist?
Ist der Vorfülldruck im Verhältnis zum vorgesehenen Mindestbetriebsdruck zu hoch, kann der Speicher unter bestimmten Betriebsbedingungen kaum noch Hydraulikflüssigkeit aufnehmen beziehungsweise abgeben. Außerdem können ungünstige mechanische Endzustände des Trennelements entstehen.
24.8 Warum verändert sich der Stickstoffvorfülldruck mit der Temperatur?
Bei unveränderter Gasmenge und annähernd konstantem Gasvolumen steigt der Gasdruck bei einer Temperaturerhöhung und sinkt bei einer Abkühlung. Deshalb müssen Vorfülldruckmessungen bei bekannten beziehungsweise vergleichbaren Temperaturbedingungen bewertet werden.
24.9 Wie lässt sich das nutzbare Ölvolumen eines Hydrospeichers berechnen?
Für eine vereinfachte Auslegung kann die polytrope Gasgleichung verwendet werden. Aus Gasvorfülldruck, Referenzvolumen sowie unterem und oberem Betriebsdruck werden die Gasvolumina bei den jeweiligen Zuständen berechnet. Ihre Differenz beschreibt im idealisierten Modell das nutzbare Flüssigkeitsvolumen. Die genaue Auslegung muss den Herstellerangaben entsprechen.
24.10 Worin unterscheiden sich isotherme und adiabatische Speicherberechnungen?
Eine isotherme Berechnung nimmt eine annähernd konstante Gastemperatur an und eignet sich als Modell für langsame Vorgänge. Eine adiabatische Betrachtung beschreibt näherungsweise schnelle Kompressions- oder Entspannungsprozesse mit geringem Wärmeaustausch. Reale Speicher können davon abweichen.
24.11 Warum schaltet die Hydraulikpumpe häufiger als früher?
Mögliche Ursachen sind eine verringerte nutzbare Speicherreserve, ein veränderter hydraulischer Verbrauch oder interne Leckagen. Ein Gasverlust ist eine mögliche Erklärung, aber nicht die einzige. Für eine Diagnose müssen Druckverlauf, Pumpenfunktion und Gasvorfüllung getrennt geprüft werden.
24.12 Kann ein Hydrospeicher trotz fehlender Stickstoffvorfüllung normalen Betriebsdruck anzeigen?
Ja, unter bestimmten Bedingungen kann die Hydraulikpumpe weiterhin einen normalen Anlagendruck erzeugen. Daraus folgt jedoch nicht, dass der Speicher noch seine vorgesehene Funktion erfüllt. Ohne ausreichend wirksames Gaspolster kann die Fähigkeit zur Energieaufnahme und -abgabe erheblich beeinträchtigt sein.
24.13 Wo sollte ein Drucksensor am Hydrospeicher eingebaut werden?
Der Drucksensor muss an einem hydraulischen Messpunkt installiert werden, der den vorgesehenen Speicherzustand tatsächlich erfasst. Besonders bei Sicherheits- und Absperrblöcken ist wichtig, auf welcher Seite eines Ventils die Messstelle liegt. Die Position muss mit der hydraulischen Verschaltung abgestimmt werden.
24.14 Welcher Druckmessbereich eignet sich für einen Hydrospeicher mit 160 bar Betriebsdruck?
Für einen entsprechenden Arbeitsbereich kann beispielsweise ein Sensor mit 0 … 200 oder 0 … 250 bar infrage kommen. Die tatsächliche Auswahl hängt von maximalen Druckspitzen, Überlastfestigkeit, Messunsicherheit und den zulässigen Grenzen der konkreten Anlage ab.
24.15 Kann ich mit einer Druckaufzeichnung den Zustand des Hydrospeichers beurteilen?
Eine zeitliche Druckaufzeichnung kann wichtige Hinweise liefern, beispielsweise über Ladezeiten, Entladezeiten und Pumpenschaltzyklen. Die Ergebnisse hängen jedoch auch von Pumpenleistung, Ventilen und hydraulischem Verbrauch ab. Eine eindeutige Bestimmung des Gasvorfülldrucks allein aus der Druckkurve ist ohne entsprechend validiertes Verfahren nicht möglich.
24.16 Warum darf ein Hydrospeicher nicht mit Druckluft befüllt werden?
Für übliche stickstoffvorgefüllte Hydrospeicher ist entsprechend spezifizierter Stickstoff vorgesehen. Druckluft oder Sauerstoff können insbesondere in Verbindung mit Hydrauliköl gefährliche Reaktionen verursachen. Es dürfen ausschließlich die vom Speicherhersteller freigegebenen Gase verwendet werden.
24.17 Welche Geräte eignen sich zur Drucküberwachung und Vorfülldruckprüfung?
Für die laufende hydraulische Drucküberwachung eignen sich beispielsweise passend konfigurierte Drucksensoren der Serien Druck UNIK 5000 oder WIKA S-20. Für Service- und Vergleichsmessungen ist das WIKA CPG1500 interessant. Zur Gasvorfülldruckprüfung werden geeignete Speicherfüll- und Prüfvorrichtungen benötigt, beispielsweise aus dem MINIMESS-Sortiment von ICS Schneider.
24.18 Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Geräteauswahl?
Benötigt werden die Speicherbauart, der Hersteller, das Speichervolumen und der vorgesehene Gasvorfülldruck. Zusätzlich sind der hydraulische Mindest- und Höchstbetriebsdruck, mögliche Druckspitzen, Temperaturbereich, Hydraulikmedium und die gewünschte Messfunktion wichtig. Für die Auswahl der Druckmesstechnik werden außerdem Messbereich, Genauigkeit, erforderliche Dynamik, Prozessanschluss, elektrische Schnittstelle, Einbausituation und gegebenenfalls Ex-Anforderungen benötigt. Soll auch die Gasvorfüllung geprüft werden, sind die genaue Gasventilausführung, vorhandene Adapter, zulässige Fülldrücke und die Anforderungen an Füll- und Prüfvorrichtung sowie Kalibrierung anzugeben.