Druckmessung bei Wasserstoffbetankung: Schnelle Druckanstiege und Sensorreaktionszeit richtig bewerten

→ Produktgruppe: H² Wasserstoff-Anwendungen

 

Bei der Wasserstoffbetankung steigt der Druck nicht langsam und gleichmäßig auf einen statischen Endwert. Ventile öffnen, Speicherbänke werden umgeschaltet und der Massenstrom wird entsprechend dem Betankungsablauf geregelt. Dabei entstehen schnelle Druckrampen, kurzzeitige Überschwinger und gleichzeitig deutliche Temperaturänderungen.

Ein Drucksensor kann am Ende der Betankung einen plausiblen Wert anzeigen und trotzdem wichtige Ereignisse im Füllverlauf übersehen. Ist der Sensor zu langsam, wird das Signal zu stark gefiltert oder erfasst die Steuerung zu selten Messwerte, erscheinen kurze Druckspitzen nur abgeschwächt oder gar nicht.

Für eine aussagekräftige Messung müssen daher Sensor, Prozessanschluss, Ausgangssignal, Analogeingang, Abtastrate und Softwarefilter als vollständige Messkette betrachtet werden. Entscheidend ist nicht nur, ob ein Sensor 700 bar messen kann, sondern wie zuverlässig er schnelle Änderungen unter den tatsächlichen Temperatur- und Einbaubedingungen erfasst.

Geeignete Sensoren finden Sie in der Kategorie H²-Drucksensoren. Weitere Komponenten für Speicherung, Betankung, Durchflussmessung und Servicepunkte sind im Bereich H²-Wasserstoff-Anwendungen zusammengefasst.

Warum ist die Druckmessung bei der Betankung dynamisch?

Während einer Betankung strömt komprimierter Wasserstoff aus den Speichern der Tankstelle über Ventile, Leitungen, Kühler, Schlauch und Kupplung in den Fahrzeug- oder Prüftank. Der Druckverlauf wird durch mehrere Einflussgrößen bestimmt:

• Anfangsdruck und Volumen des zu befüllenden Speichers,
• Druckniveau der verwendeten Speicherbank,
• Ventilstellung und Druckregelung,
• Massenstrom und Leitungsquerschnitt,
• Temperatur des Wasserstoffs und des Tanks,
• Umschalten zwischen mehreren Speicherstufen,
• Totvolumen zwischen Sensor, Ventil und Tank.

Der Druck kann deshalb innerhalb kurzer Zeit deutlich ansteigen. Beim Öffnen oder Umschalten eines Ventils kann zusätzlich ein kurzer Überschwinger auftreten. Eine statische Kontrolle vor und nach dem Füllvorgang reicht nicht aus, wenn der tatsächliche Verlauf bewertet werden soll.

350 und 700 bar richtig einordnen

Die Bezeichnungen 350 bar und 700 bar beschreiben üblicherweise das nominale Druckniveau des Speichersystems. Sie sind nicht automatisch mit dem maximalen Druck gleichzusetzen, der an jeder Messstelle der Betankungsanlage auftreten kann.

Auf der Tankstellenseite können Speicher, Verdichter und Leitungsabschnitte mit höheren Drücken betrieben werden, damit Wasserstoff in den Fahrzeugtank übertragen werden kann. Auch dynamische Überschwinger, Temperaturzustände und zulässige Betriebsgrenzen müssen berücksichtigt werden.

Der Sensorbereich darf deshalb nicht allein nach der Aufschrift H35 oder H70 gewählt werden. Für jede Messstelle werden mindestens benötigt:

• normaler Arbeitsbereich,
• maximaler geregelter Druck,
• möglicher Druck bei Störung oder Ventilfehler,
• kurzzeitige dynamische Druckspitzen,
• zulässiger Überdruck und Berstdruck des Sensors,
• erforderliche Auflösung im normalen Arbeitsbereich.

Ein sehr großer Messbereich bietet zwar Reserve, reduziert aber bei gleicher Ausgangsspanne die nutzbare Signaländerung pro bar. Ein Sensor bis 1.000 bar liefert im Bereich bis 350 bar weniger nutzbare Auflösung als ein passend ausgewählter Sensor mit kleinerem Endwert.

Druckanstiegsrate und Druckspitzen unterscheiden

Die Druckanstiegsrate beschreibt, wie schnell sich der Druck während eines definierten Zeitraums verändert. Sie kann beispielsweise in bar pro Sekunde oder MPa pro Sekunde angegeben werden.

Eine Druckspitze ist dagegen ein kurzzeitiger Maximalwert, der deutlich oberhalb der eigentlichen Druckrampe liegen kann. Typische Ursachen sind:

• schnelles Öffnen eines Ventils,
• Umschalten zwischen Speicherbänken,
• Regelventilüberschwingen,
• Kompressor- oder Druckverstärkerpulsationen,
• Gasvolumen in langen Messleitungen,
• Resonanzen in Rohrleitung und Messanschluss.

Für die Prozessregelung kann der geglättete Druckverlauf entscheidend sein. Für Bauteilprüfung, Ursachenanalyse und Überlastbewertung müssen dagegen auch kurze Spitzen sichtbar bleiben. Beide Aufgaben benötigen möglicherweise unterschiedliche Filtereinstellungen oder getrennte Messkanäle.

Reaktionszeit und Frequenzgang des Sensors

Die Reaktionszeit beschreibt, wie schnell das Ausgangssignal einer Druckänderung folgt. Der Frequenzgang gibt an, bis zu welcher Frequenz Druckschwankungen mit definierter Qualität übertragen werden.

Ein Sensor mit hoher statischer Genauigkeit ist nicht automatisch für schnelle Druckverläufe geeignet. Umgekehrt ist für eine langsame Betriebsanzeige nicht zwingend ein Sensor mit sehr hoher Bandbreite erforderlich.

Bei der Auswahl sollte geklärt werden:

• Wie lange dauert der gesamte Füllvorgang?
• Wie schnell können Ventile und Regler schalten?
• Welche kürzeste Druckspitze soll noch erkannt werden?
• Wird nur der Füllverlauf oder auch das dynamische Regelverhalten untersucht?
• Welche Bandbreite besitzen Sensor und Ausgangselektronik?
• Welche Verzögerung entsteht im Analogeingang und Datenlogger?

Die langsamste Komponente bestimmt das Verhalten der vollständigen Messkette. Ein schneller Drucksensor bringt keinen Vorteil, wenn der Analogeingang nur wenige Werte pro Sekunde verarbeitet oder die Software das Signal stark glättet.

Abtastrate und Filter der Messkette

Die Abtastrate gibt an, wie oft das Ausgangssignal digital erfasst wird. Sie muss deutlich höher sein als die Geschwindigkeit der zu untersuchenden Druckänderung. Andernfalls kann eine kurze Spitze zwischen zwei Messpunkten liegen und vollständig unentdeckt bleiben.

Zusätzlich können folgende Filter wirken:

• interne Filterung des Drucksensors,
• Hardwarefilter des Analogeingangs,
• Mittelwertbildung in der SPS,
• gleitender Mittelwert im Datenlogger,
• Darstellungsfilter in der Visualisierung,
• nachträgliche Glättung bei der Auswertung.

Jede Filterstufe reduziert Störungen, verlängert aber auch die Reaktionszeit. Deshalb sollten ungefilterte Rohdaten zumindest während der Inbetriebnahme oder bei einer Fehleranalyse verfügbar sein.

Auch die Aktualisierungsrate der Anzeige darf nicht mit der tatsächlichen Messrate verwechselt werden. Eine Bildschirmkurve kann nur zehnmal pro Sekunde aktualisiert werden, obwohl intern wesentlich schneller aufgezeichnet wird – oder umgekehrt.

Messbereich und Überdruckfestigkeit auswählen

Der Messbereich muss den normalen Füllverlauf mit ausreichender Reserve erfassen. Dabei sind die drei Angaben Messbereich, Überdruckfestigkeit und Berstdruck klar zu unterscheiden.

• Messbereich: Bereich, in dem die spezifizierte Messgenauigkeit gilt.
• Überdruckfestigkeit: kurzzeitig zulässiger Druck, bei dem der Sensor nicht dauerhaft beschädigt werden soll.
• Berstdruck: Druckgrenze der mechanischen Druckeinkapselung; dieser Bereich ist kein zulässiger Betriebszustand.

Ein Sensor darf nicht regelmäßig oberhalb seines Messbereichs betrieben werden, nur weil seine Überdruckfestigkeit höher ist. Häufige Druckzyklen nahe der mechanischen Belastungsgrenze können Lebensdauer und Langzeitstabilität beeinflussen.

Bei der Auslegung sind auch Druckreferenz und Ausgangsbereich zu beachten. Für hohe gasförmige Wasserstoffdrücke werden häufig Absolutdruck oder Relativdruck mit eingeschlossener Referenz verwendet. Die konkrete Ausführung muss zur Messaufgabe passen.

Pulsationsdämpfung richtig einsetzen

Drosseln, Snubber und lange Messleitungen können schnelle Druckänderungen abschwächen. Das kann sinnvoll sein, wenn ein Sensor vor hochfrequenten Kompressorpulsationen geschützt oder ein ruhiger Regelwert erzeugt werden soll.

Bei der Analyse einer Betankungsrampe kann dieselbe Dämpfung jedoch nachteilig sein:

• Druckspitzen erscheinen niedriger,
• der gemessene Maximalwert tritt zeitlich verspätet auf,
• Ventilumschaltungen sind kaum noch erkennbar,
• der Sensor zeigt nach dem Schließen des Ventils noch einen alten Wert,
• Druckdifferenzen zwischen Messstelle und Tank werden vergrößert.

Eine Dämpfung sollte daher nicht pauschal eingesetzt werden. Zuerst muss geklärt werden, ob der Sensor einen ruhigen Prozesswert liefern oder die reale Dynamik möglichst unverfälscht erfassen soll.

Für Regelung und Diagnose können zwei Messpfade sinnvoll sein: ein gezielt gefilterter Kanal für die Steuerung und ein schneller Kanal für Aufzeichnung und Spitzenwertanalyse.

Temperaturanstieg und Temperaturkompensation

Beim schnellen Befüllen eines Speichers steigt die Gastemperatur. Gleichzeitig können vorgekühlter Wasserstoff, kalte Rohrleitungen und eine deutlich wärmere Sensorumgebung auf die Messstelle wirken.

Temperatur beeinflusst die Druckmessung auf mehreren Ebenen:

• temperaturabhängiger Messfehler des Sensors,
• zeitlicher Temperaturgradient zwischen Gas und Sensorgehäuse,
• Veränderung von Dichte und Tankzustand,
• thermische Ausdehnung von Leitungen und Anschlüssen,
• abweichende Temperatur von Elektronik und Prozessmembran.

Die angegebene Temperaturkompensation eines Sensors gilt innerhalb eines definierten Bereichs und unter bestimmten Prüfbedingungen. Bei einem schnellen Wechsel zwischen vorgekühltem Wasserstoff und warmer Umgebung können vorübergehende thermische Effekte auftreten, die durch eine reine statische Kalibrierung nicht vollständig beschrieben werden.

Für die Bewertung des Füllvorgangs sollten Druck und Gastemperatur deshalb gemeinsam aufgezeichnet werden. Eine nachträgliche Interpretation des Druckverlaufs ohne Temperaturdaten ist nur eingeschränkt möglich.

Prozessanschluss, Totvolumen und Einbauort

Ein schneller Sensor kann nur dann schnell messen, wenn die Druckänderung seine Membran ohne unnötige Verzögerung erreicht. Lange, dünne Stichleitungen oder Adapter mit großem Totvolumen können wie ein pneumatischer Tiefpass wirken.

Für dynamische Messstellen sind wichtig:

• kurzer und ausreichend großer Druckkanal,
• möglichst geringes Totvolumen,
• geeigneter wasserstoffkompatibler Prozessanschluss,
• definierte metallische oder freigegebene Dichtung,
• keine unnötige Kombination mehrerer Adapter,
• mechanisch spannungsfreie Montage,
• zugängliche Position für Dichtheitsprüfung und Austausch.

Die Messstelle sollte außerdem zur Fragestellung passen. Ein Sensor vor dem Regelventil zeigt den Versorgungsdruck, aber nicht automatisch den tatsächlichen Druck im Fahrzeugtank. Zwischen beiden Punkten können Druckverluste und dynamische Unterschiede auftreten.

Druck, Temperatur und Durchfluss synchron erfassen

Eine vollständige Bewertung der Betankung benötigt häufig mehrere Messgrößen:

• Druck vor und hinter dem Regelventil,
• Druck am Speicher beziehungsweise in Tanknähe,
• Wasserstofftemperatur,
• Massenstrom,
• Ventilstellung und Schaltzeitpunkte,
• Temperatur von Tank und Umgebung.

Alle Kanäle sollten eine gemeinsame Zeitbasis besitzen. Werden Druck und Temperatur von getrennten Systemen mit unterschiedlichen Uhren aufgezeichnet, lassen sich kurze Ereignisse später nur schwer eindeutig zuordnen.

Die Datenaufzeichnung sollte deshalb dokumentieren:

• Abtastrate jedes Kanals,
• Zeitstempel und Synchronisation,
• eingestellte Filter,
• Messbereich und Einheit,
• Kalibrierstatus der Sensoren,
• Ventil- und Steuerungszustände.

Typische Fehler bei dynamischen H₂-Druckmessungen

Fehler	Mögliche Folge	Sinnvolle Maßnahme
Sensor nur nach Enddruck ausgewählt	Druckspitzen und Überlastreserve unzureichend berücksichtigt	Gesamten Betriebs- und Störbereich bewerten
Abtastrate zu niedrig	Kurze Überschwinger bleiben unsichtbar	Messrate an die schnellsten relevanten Ereignisse anpassen
Softwarefilter zu stark	Druckrampe erscheint langsamer und glatter als tatsächlich	Rohdaten speichern und Filter dokumentieren
Lange dünne Stichleitung	Verzögerter und gedämpfter Druckverlauf	Sensor möglichst prozessnah montieren
Standarddrucksensor ohne H₂-Prüfung	Ungeeignete Werkstoffe, Dichtungen oder Zulassungen	Konkrete Sensorversion auf Wasserstoffeignung prüfen
Nur Druck aufgezeichnet	Thermische Effekte nicht nachvollziehbar	Druck, Temperatur und Durchfluss synchron erfassen
Überdruckfestigkeit als Messbereich verwendet	Sensor dauerhaft außerhalb seiner Spezifikation betrieben	Messbereich und Überlastgrenze getrennt bewerten
Analoge Skalierung fehlerhaft	SPS zeigt systematisch falschen Druck	Ausgangssignal und Skalierung mit Referenzsignal prüfen

Praxisbeispiel: Druckspitze beim Umschalten einer Speicherbank

Auf einem H₂-Prüfstand wird ein 700-bar-Speichersystem über mehrere Druckstufen befüllt. Der vorhandene Drucktransmitter liefert ein stabiles 4–20-mA-Signal. Die aufgezeichnete Druckkurve zeigt eine gleichmäßige Rampe ohne auffällige Überschwinger.

Bei wiederkehrenden Prüfungen löst jedoch eine unabhängige Überdrucküberwachung unmittelbar nach dem Umschalten einer Speicherbank aus. Der in der SPS gespeicherte Druck bleibt unterhalb der Auslösegrenze.

Die Messkette wird daraufhin geprüft. Der Sensor ist ausreichend schnell, der Analogeingang arbeitet jedoch mit einer starken Eingangsfilterung. Zusätzlich bildet die SPS einen Mittelwert über mehrere Messwerte. Die kurze Druckspitze wird dadurch stark abgeschwächt.

Für die weitere Untersuchung wird ein separater schneller Messkanal eingerichtet. Sensor, Analogeingang und Datenlogger werden mit einer höheren Messrate betrieben, während die Rohdaten ungefiltert gespeichert werden. Nun ist unmittelbar nach dem Ventilumschalten ein kurzer Drucküberschwinger sichtbar.

Die Ventilrampe wird angepasst und der Umschaltvorgang optimiert. Der gefilterte Kanal bleibt für die Prozessanzeige bestehen, während der schnelle Kanal zur Überwachung und Dokumentation verwendet wird.

Das Beispiel zeigt: Nicht nur der Drucksensor, sondern die langsamste oder stärkste gefilterte Komponente bestimmt, welche Druckspitzen am Ende sichtbar sind.

Empfohlener Ablauf bei der Inbetriebnahme

1. Normalen, maximalen und möglichen Stördruck für jede Messstelle dokumentieren.
2. Geforderte Druckanstiegsrate und kürzeste relevante Ereignisdauer festlegen.
3. Wasserstoffeignung von Werkstoffen, Membran, Dichtung und Anschluss prüfen.
4. Messbereich, Überdruckfestigkeit und Druckreferenz auswählen.
5. Reaktionszeit beziehungsweise Frequenzgang des Sensors prüfen.
6. Ausgangssignal passend zur benötigten Dynamik auswählen.
7. Abtastrate und Hardwarefilter des Eingangs kontrollieren.
8. Softwarefilter und Mittelwertbildung dokumentieren.
9. Sensor mit kurzem Druckkanal und geringem Totvolumen montieren.
10. Messstelle nach der Montage fachgerecht auf Dichtheit prüfen.
11. Druck, Temperatur, Durchfluss und Ventilsignale synchronisieren.
12. Messbereich und Skalierung der Datenerfassung kontrollieren.
13. Füllvorgang zunächst unter kontrollierten Bedingungen durchführen.
14. Rohdaten, Spitzenwerte und zeitliche Zuordnung auswerten.

Welche Produkte eignen sich?

H²-Drucksensoren

Die Kategorie H²-Drucksensoren umfasst unterschiedliche Sensorlösungen für Wasserstoffspeicher, Verdichter, Betankungsanlagen, Prüfstände und Brennstoffzellensysteme.

Bei der Auswahl müssen Druckbereich, Dynamik, Temperaturbereich, Ausgangssignal, Werkstoffe, Prozessanschluss und gegebenenfalls Ex- beziehungsweise Fahrzeugzulassungen gemeinsam geprüft werden.

UNIK 5000H

Der UNIK 5000H ist ein konfigurierbarer Drucksensor mit wasserstoffkompatiblen medienberührten Werkstoffen. Er eignet sich insbesondere für dynamische Messungen, Prüfstände und Wasserstoff-Mobilitätsanwendungen, wenn eine schnelle analoge Druckerfassung benötigt wird.

Je nach Konfiguration stehen unterschiedliche Druckbereiche, Druckreferenzen, Ausgangssignale, elektrische Anschlüsse und Zulassungsoptionen zur Verfügung. Für die konkrete Betankungsmessstelle muss die vollständige Bestellkonfiguration geprüft werden.

HT-H2-Serie

Die HT-H2-Serie bietet wasserstoffgeeignete Drucksensoren mit Messbereichen bis 1.000 bar. Verfügbar sind unter anderem 4–20-mA-, Spannungs- und ratiometrische Ausgangssignale sowie unterschiedliche Prozess- und Elektroanschlüsse.

Die Serie eignet sich für Speichertechnik, Wasserstoffproduktion, Brennstoffzellensysteme und Betankungsanwendungen. Die benötigte Dynamik muss anhand der konkreten Geräteausführung und Messkette bestätigt werden.

Weitere H²-Komponenten

Im Bereich H²-Wasserstoff-Anwendungen stehen ergänzend Lösungen für Temperatur, Durchfluss, Füllstand sowie Mess- und Serviceanschlüsse zur Verfügung. Damit lassen sich Druckverlauf, thermischer Zustand und übertragene Wasserstoffmenge gemeinsam bewerten.

Fazit: Die gesamte Messkette muss schnell genug sein

Bei einer Wasserstoffbetankung reicht es nicht aus, nur den statischen Enddruck korrekt zu messen. Druckrampen, Ventilumschaltungen und kurzzeitige Überschwinger können für Regelung, Bauteilschutz und Dokumentation entscheidend sein.

Der Drucksensor muss zum Wasserstoff, Druckbereich, Temperaturbereich und zur geforderten Dynamik passen. Ebenso wichtig sind ein kurzer Prozessanschluss, eine ausreichende Abtastrate und kontrollierte Filtereinstellungen.

Eine zu starke Dämpfung kann Druckspitzen verdecken. Eine zu geringe Dämpfung kann dagegen hochfrequente Störungen und Kompressorpulsationen unnötig stark in die Regelung übertragen. Die Filterung muss daher gezielt nach Messaufgabe festgelegt werden.

Druck, Temperatur, Durchfluss und Ventilsignale sollten synchron erfasst werden. Erst die gemeinsame Betrachtung zeigt, ob eine Auffälligkeit durch den tatsächlichen Füllvorgang, einen thermischen Effekt oder die Messkette verursacht wurde.

Häufige Fragen zur Druckmessung bei der Wasserstoffbetankung

Reicht für ein 700-bar-System ein Drucksensor bis 700 bar?

Nicht automatisch. Maximaler Betriebsdruck, tankstellenseitiger Versorgungsdruck, dynamische Spitzen und erforderliche Überdruckreserve müssen für die konkrete Messstelle berücksichtigt werden.

Was ist wichtiger: Genauigkeit oder Reaktionszeit?

Das hängt von der Messaufgabe ab. Für Enddruck und Bilanzierung kann die Genauigkeit im Vordergrund stehen. Für Ventilumschaltungen und Druckspitzen sind Reaktionszeit, Frequenzgang und Abtastrate ebenso wichtig.

Warum zeigt der Sensor keine Druckspitze, obwohl die Überdrucküberwachung auslöst?

Mögliche Ursachen sind eine zu niedrige Abtastrate, starke Filterung, Mittelwertbildung oder eine lange Stichleitung. Auch unterschiedliche Einbauorte können verschiedene Maximalwerte erfassen.

Sollte bei der Betankung ein Druckstoßminderer eingesetzt werden?

Nur nach Prüfung der Messaufgabe. Ein Stoßminderer kann Sensor und Regelung beruhigen, verdeckt aber möglicherweise genau die kurzen Druckspitzen, die untersucht werden sollen.

Warum muss die Temperatur gleichzeitig gemessen werden?

Während der schnellen Befüllung ändert sich die Gastemperatur deutlich. Sie beeinflusst den Tankzustand, die Dichte des Wasserstoffs und das thermische Verhalten der Druckmessstelle.

Ist ein 4–20-mA-Signal für schnelle Druckmessungen geeignet?

Grundsätzlich kann auch ein 4–20-mA-Signal dynamische Druckänderungen übertragen. Entscheidend sind jedoch die Bandbreite des Sensors, die Last im Stromkreis, der Analogeingang, dessen Filter und die Abtastrate der Datenerfassung.

Wo sollte der Drucksensor montiert werden?

Der Einbauort richtet sich nach der Messaufgabe. Für den Tankdruck sollte die Messstelle möglichst nahe am relevanten Speicher liegen. Ein Sensor vor einem Regelventil misst dagegen hauptsächlich den Versorgungsdruck.