Wasser gehört zu den wichtigsten Einflussgrößen bei der Zustandsbewertung technischer Öle. Es kann Korrosion fördern, die Ölalterung beschleunigen, die Schmierfähigkeit beeinträchtigen und die Lebensdauer von Lagern, Ventilen, Pumpen oder elektrischen Isolationssystemen verkürzen.
Die alleinige Angabe des Wassergehalts in ppm reicht für die Beurteilung jedoch nicht immer aus. Wie kritisch eine bestimmte Wassermenge ist, hängt stark vom Öltyp, vom Alterungszustand und insbesondere von der Temperatur ab. Ein Öl kann bei einer bestimmten Wasserkonzentration noch ungesättigt sein und bei einer niedrigeren Temperatur bereits freies oder emulgiertes Wasser bilden.
Die Wasseraktivität, kurz aw, beschreibt deshalb nicht einfach die absolute Wassermenge. Sie zeigt, wie nahe sich das Öl an seinem temperaturabhängigen Sättigungspunkt befindet. Damit eignet sich der aw-Wert besonders für die kontinuierliche Zustandsüberwachung von Hydraulik-, Schmier- und Transformatorenölen.
Dieser Beitrag erklärt den Unterschied zwischen Wasseraktivität und ppm, zeigt die Bedeutung der Öltemperatur und beschreibt, wie der IFO 510 in eine industrielle Messstelle eingebunden wird.
Inhaltsverzeichnis
- Warum Wasser in technischem Öl problematisch ist
- Gelöstes, emulgiertes und freies Wasser unterscheiden
- Was die Wasseraktivität im Öl beschreibt
- Wasseraktivität und ppm richtig unterscheiden
- Warum die Öltemperatur entscheidend ist
- Typische Anwendungen der Ölfeuchtemessung
- Grenzwerte und Trends richtig bewerten
- Sensor und Messstelle richtig einbauen
- 4–20 mA und Modbus in die Anlage integrieren
- Typische Planungs- und Messfehler
- Praxisbeispiel: Feuchteeintrag in einem Hydrauliksystem
- Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
- Fazit
- Häufige Fragen zur Wasseraktivität in Öl
Warum Wasser in technischem Öl problematisch ist
In Hydraulik- und Schmiersystemen übernimmt das Öl mehrere Aufgaben gleichzeitig. Es überträgt Kräfte, reduziert Reibung, führt Wärme ab, schützt Oberflächen vor Korrosion und transportiert Verschmutzungen zum Filter.
Steigt der Wasseranteil, können diese Eigenschaften beeinträchtigt werden. Mögliche Folgen sind:
- Korrosion metallischer Bauteile
- beschleunigte Oxidation und Alterung des Öls
- Abbau oder Ausfällung von Additiven
- reduzierte Tragfähigkeit des Schmierfilms
- Schlammbildung und Ablagerungen
- erhöhter Verschleiß an Lagern und Pumpen
- beeinträchtigte elektrische Isolationswirkung
- Verstopfung feiner Filterelemente
Feuchtigkeit kann über undichte Kühler, Kondensation, Reinigungsprozesse, feuchte Umgebungsluft oder falsch gelagerte Frischöle in das System gelangen. Auch ein geschlossen wirkender Ölkreislauf ist deshalb nicht automatisch dauerhaft trocken.
Gelöstes, emulgiertes und freies Wasser unterscheiden
Wasser kann in Öl in unterschiedlichen Zuständen vorliegen. Für die Bewertung ist entscheidend, ob das Öl noch in der Lage ist, die vorhandene Wassermenge vollständig gelöst aufzunehmen.
| Wasserzustand | Beschreibung | Typische Erkennbarkeit |
|---|---|---|
| Gelöstes Wasser | Wassermoleküle sind im Öl gelöst | Öl kann weiterhin klar erscheinen |
| Emulgiertes Wasser | Feine Wassertröpfchen sind im Öl verteilt | Trübung oder milchiges Erscheinungsbild möglich |
| Freies Wasser | Wasser scheidet sich als eigene Phase ab | Wassertropfen oder Schicht am Behälterboden |
Eine reine Sichtkontrolle erkennt ein Feuchteproblem häufig erst spät. Gelöstes Wasser kann bereits die Ölalterung und die Bauteilzuverlässigkeit beeinflussen, obwohl das Öl optisch unauffällig ist.
Sinkt die Öltemperatur, reduziert sich bei vielen Ölen die Menge an Wasser, die gelöst bleiben kann. Aus einem zunächst klaren Öl können dann emulgierte Wassertröpfchen entstehen. Dieser Effekt macht die kombinierte Messung von Wasseraktivität und Temperatur besonders wichtig.
Was die Wasseraktivität im Öl beschreibt
Die Wasseraktivität ist ein dimensionsloser Wert zwischen 0 und 1. Sie beschreibt das Verhältnis zwischen der aktuell im Öl gelösten Wassermenge und der maximal löslichen Wassermenge bei der jeweiligen Temperatur.
Vereinfacht gilt:
aw = aktuell gelöstes Wasser ÷ Sättigungsmenge bei gleicher Temperatur
| aw-Wert | Vereinfachte Bedeutung |
|---|---|
| 0 | Kein messbares Wasser im Öl |
| 0,30 | Etwa 30 % des temperaturabhängigen Sättigungszustands |
| 0,70 | Öl nähert sich deutlich der Sättigung |
| 1,00 | Sättigungszustand erreicht |
Der aw-Wert kann auch als relative Sättigung betrachtet werden. Ein Wert von 0,60 entspricht näherungsweise einer relativen Sättigung von 60 %.
Der große Vorteil besteht darin, dass die Wasseraktivität unmittelbar zeigt, wie weit das Öl vom Sättigungspunkt entfernt ist. Dadurch lassen sich unterschiedliche technische Öle hinsichtlich ihres aktuellen Feuchtezustands besser vergleichen als nur anhand eines festen ppm-Wertes.
Ein aw-Wert nahe 1 bedeutet nicht zwangsläufig, dass bereits eine deutlich sichtbare Wasserschicht vorhanden ist. Er zeigt jedoch, dass das Öl praktisch gesättigt ist und bereits kleine Temperaturänderungen oder zusätzlicher Feuchteeintrag zur Ausscheidung von Wasser führen können.
Wasseraktivität und ppm richtig unterscheiden
Der Wassergehalt in ppm beschreibt eine absolute Konzentration. Ein Wert von 300 ppm entspricht vereinfacht 300 mg Wasser pro Kilogramm Öl.
Die Wasseraktivität beantwortet dagegen die Frage, wie kritisch diese Wassermenge im Verhältnis zur aktuellen Aufnahmefähigkeit des Öls ist.
| Messgröße | Aussage | Abhängigkeiten |
|---|---|---|
| Wasseraktivität aw | Abstand zum temperaturabhängigen Sättigungspunkt | Vor allem Öltemperatur und aktueller Feuchtezustand |
| Wassergehalt ppm | Absolute Wassermenge im Öl | Ölspezifische Umrechnung und Ölparameter |
| Öltemperatur | Beeinflusst die Wasserlöslichkeit und Sättigungsgrenze | Betriebszustand und Messstelle |
Die Umrechnung von aw und Temperatur in ppm ist ölspezifisch. Unterschiedliche Grundöle und Additivpakete können bei derselben Temperatur sehr unterschiedliche Wassermengen aufnehmen.
Eine ppm-Ausgabe ist daher nur belastbar, wenn die passenden Kennwerte des verwendeten Öls im Messsystem hinterlegt sind. Beim IFO 510 können entsprechende Ölparameter bei der Bestellung berücksichtigt oder mithilfe der Service-Software angepasst werden.
Für eine allgemeine Zustandsüberwachung ist der aw-Wert häufig die robustere Größe. Soll dagegen eine interne Spezifikation in ppm überwacht oder ein Laborwert verglichen werden, muss die ölspezifische Umrechnung korrekt konfiguriert sein.
Warum die Öltemperatur entscheidend ist
Die Aufnahmefähigkeit eines Öls für Wasser ist temperaturabhängig. Warmes Öl kann in der Regel mehr Wasser gelöst halten als kaltes Öl.
Das führt dazu, dass dieselbe absolute Wassermenge bei unterschiedlichen Temperaturen verschiedene aw-Werte erzeugt. Kühlt das Öl ab, steigt die relative Sättigung. Erwärmt es sich, kann der aw-Wert wieder sinken, obwohl kein Wasser aus dem System entfernt wurde.
Beispiel:
- Bei hoher Betriebstemperatur liegt das Öl bei 0,55 aw.
- Während des Anlagenstillstands kühlt es ab.
- Die absolute Wassermenge bleibt zunächst gleich.
- Durch die geringere Wasserlöslichkeit steigt der aw-Wert auf 0,85.
Eine Beurteilung ohne Temperaturwert könnte diesen Zusammenhang übersehen. Deshalb sollten Wasseraktivität und Öltemperatur immer gemeinsam aufgezeichnet werden.
Für Trendvergleiche ist es sinnvoll, Messwerte möglichst bei vergleichbaren Betriebszuständen auszuwerten oder die Temperatur in die Analyse einzubeziehen.
Typische Anwendungen der Ölfeuchtemessung
Hydrauliksysteme
In Hydraulikanlagen kann Feuchtigkeit durch Tankatmung, defekte Wärmetauscher, Kondensation oder Reinigungswasser eingetragen werden. Die kontinuierliche aw-Messung unterstützt dabei, einen schleichenden Feuchteanstieg frühzeitig zu erkennen.
Schmierölsysteme
Bei Getrieben, Turbinen, Verdichtern und großen Lagern kann Wasser den Schmierfilm und die Ölalterung beeinflussen. Eine Trendüberwachung hilft, Leckagen oder ungeeignete Betriebsbedingungen zu erkennen, bevor das Öl sichtbar trüb wird.
Transformatorenöl
Feuchtigkeit beeinflusst die elektrische Isolationswirkung und den Alterungszustand von Transformatoren. Neben der kontinuierlichen Wasseraktivität kann beim IFO 510 für entsprechend hinterlegte Transformatorenöle auch ein berechneter ppm-Wert ausgegeben werden.
Motorenöle und Dieselkraftstoff
Auch in Motorenöl oder Dieselkraftstoff kann Wasser durch Kondensation, Lagerung oder undichte Systeme eingetragen werden. Die konkrete Eignung des Sensors und der Werkstoffe muss dabei für Medium, Additive, Temperatur und Druck geprüft werden.
Grenzwerte und Trends richtig bewerten
Ein allgemeingültiger aw-Grenzwert für alle Ölarten und Anlagen existiert nicht. Die zulässige Feuchtigkeit hängt unter anderem ab von:
- Öltyp und Additivierung
- Maschinen- und Komponentenanforderungen
- Betriebstemperatur
- kritischen Werkstoffen und Oberflächen
- Anlagenhersteller und internen Vorgaben
- möglicher Wasserabscheidung beim Abkühlen
Für die Zustandsüberwachung sind häufig mehrere Warnstufen sinnvoll. Ein niedriger Voralarm kann einen ungewöhnlichen Trend anzeigen, während ein höherer Alarm einen zeitnahen Eingriff auslöst.
Wichtiger als ein einzelner Momentanwert ist häufig die Entwicklung über die Zeit. Ein langsamer Anstieg kann auf Tankatmung oder Kondensation hinweisen. Ein plötzlicher Sprung spricht eher für einen Wassereinbruch, eine Kühlerleckage oder eine Prozessstörung.
Bei der Festlegung von Grenzwerten sollten vorhandene Laboranalysen, Maschinenherstellerangaben und betriebliche Erfahrungen einbezogen werden.
Sensor und Messstelle richtig einbauen
Der IFO 510 wird über einen Prozessanschluss G 1/2 oder optional 1/2 NPT in die Ölleitung beziehungsweise eine geeignete Messkammer eingebaut.
Für eine kurze Ansprechzeit sollte die Sensorspitze von einem kontinuierlichen und repräsentativen Ölstrom umspült werden. Eine Einbaustelle in einem schlecht durchströmten Totraum kann zu verzögerten oder nicht repräsentativen Messwerten führen.
Bei der Auswahl der Messstelle sind insbesondere zu beachten:
- kontinuierlicher Ölfluss
- repräsentative Öltemperatur
- ausreichende Eintauchtiefe der Sensorspitze
- zulässiger Betriebsdruck
- geeignete Abdichtung des Prozessanschlusses
- Werkstoffverträglichkeit mit Öl und Additiven
- Zugänglichkeit für Wartung und Kontrolle
Der direkte Einbau darf nur im drucklosen Zustand erfolgen. Nach der Montage müssen Anschluss und Dichtheit kontrolliert werden.
Bei Anlagen mit stark schwankendem Druck oder ungeeigneter Einbausituation kann ein definierter Nebenstrom beziehungsweise eine separate Messkammer sinnvoll sein. Dabei muss ein ausreichender und kontinuierlicher Durchfluss durch die Messstrecke sichergestellt werden.
4–20 mA und Modbus in die Anlage integrieren
Der IFO 510 besitzt zwei frei konfigurierbare 4–20-mA-Ausgänge. Dadurch können beispielsweise Wasseraktivität und Öltemperatur gleichzeitig an eine SPS oder einen Datenlogger übertragen werden.
Abhängig von der Konfiguration können den Ausgängen unter anderem folgende Messgrößen zugeordnet werden:
- Wasseraktivität aw
- Öltemperatur
- berechneter Wassergehalt in ppm
Zusätzlich steht eine RS-485-Schnittstelle mit Modbus RTU zur Verfügung. Über die digitale Kommunikation können mehrere Messwerte ohne zusätzliche Analogkanäle übertragen und in übergeordnete Überwachungssysteme eingebunden werden.
Bei der 4–20-mA-Anbindung müssen Versorgungsspannung, Eingangsart, Leitungsführung und zulässige Bürde berücksichtigt werden. Die Skalierung in der SPS muss mit der konfigurierten Skalierung des jeweiligen Analogausgangs übereinstimmen.
Zur Inbetriebnahme und Fehlersuche kann der UPS4E Stromschleifen-Kalibrator verwendet werden. Mit ihm lassen sich die 4–20-mA-Signale messen beziehungsweise definierte Ströme zur Prüfung von SPS-Eingang, Datenlogger und Skalierung simulieren.
Eine elektrische Signalsimulation prüft jedoch nur die Auswertung. Die eigentliche Feuchtemessung des Sensors muss mit geeigneten Referenz- und Kalibrierverfahren bewertet werden.
Typische Planungs- und Messfehler
| Fehler | Mögliche Folge | Bessere Vorgehensweise |
|---|---|---|
| Nur ein fester ppm-Grenzwert wird betrachtet | Temperatureinfluss und unterschiedliche Öltypen bleiben unberücksichtigt | Wasseraktivität und Temperatur gemeinsam bewerten |
| ppm werden ohne passende Ölparameter berechnet | Plausibel wirkender, aber falscher Wassergehalt | Ölspezifische Kennwerte hinterlegen |
| Sensor sitzt in einem Totraum | Langsame oder nicht repräsentative Reaktion | Stetig durchströmte Messstelle wählen |
| Messwerte bei unterschiedlichen Temperaturen direkt verglichen | Fehlinterpretation des Feuchtetrends | Temperatur mit aufzeichnen und Betriebszustände berücksichtigen |
| Nur eine Sichtprüfung des Öls erfolgt | Gelöstes Wasser bleibt unentdeckt | Kontinuierliche Feuchteüberwachung einsetzen |
| Alarmwert wird für jedes Öl übernommen | Unpassende Warn- und Abschaltgrenzen | Grenzwerte an Öl, Anlage und Herstelleranforderungen anpassen |
| 4–20-mA-Skalierung in der SPS stimmt nicht | Falscher aw-, Temperatur- oder ppm-Wert | Ausgangszuordnung und Skalierung bei Inbetriebnahme prüfen |
Praxisbeispiel: Feuchteeintrag in einem Hydrauliksystem
In einer Produktionsanlage werden wiederholt Korrosionsspuren und verkürzte Filterstandzeiten festgestellt. Regelmäßige Ölproben zeigen schwankende Wassergehalte, liefern aber keine eindeutige Information über den Zeitpunkt des Feuchteeintrags.
Ein IFO 510 wird in einer kontinuierlich durchströmten Rücklaufleitung montiert. Über die beiden Analogausgänge werden Wasseraktivität und Öltemperatur an die SPS übertragen.
Während des normalen Betriebs liegt die Wasseraktivität bei etwa 0,35 bis 0,45. Nach längeren Stillständen steigt der aw-Wert beim Abkühlen zunächst moderat an und fällt nach dem Erwärmen wieder ab.
An einem Produktionstag steigt die Wasseraktivität jedoch innerhalb kurzer Zeit von 0,42 auf 0,78. Gleichzeitig verändert sich die Öltemperatur nur geringfügig. Der Anstieg kann daher nicht allein durch Abkühlung erklärt werden.
Bei der anschließenden Prüfung wird eine kleine Undichtigkeit im ölseitigen Wärmetauscher festgestellt. Kühlwasser gelangt zeitweise in den Hydraulikkreislauf.
Nach der Reparatur und Ölpflege sinkt der aw-Wert wieder auf den üblichen Bereich. Für die weitere Überwachung werden ein Voralarm und ein höherer Handlungsgrenzwert eingerichtet.
Das Beispiel zeigt den Vorteil einer kontinuierlichen Messung: Eine einzelne Laborprobe hätte den zeitlich begrenzten Wassereintrag möglicherweise nicht erfasst.
Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
IFO 510 zur kontinuierlichen Feuchtemessung in technischen Ölen
Der IFO 510 Industrielle Ölfeuchte-Sensor ist speziell für die Messung der Wasseraktivität und Temperatur in technischen Ölen vorgesehen.
Typische Anwendungen sind:
- Hydrauliköl
- Schmieröl
- Motorenöl
- Transformatorenöl
- Dieselkraftstoff
Der Messbereich der Wasseraktivität reicht von 0 bis 1 aw. Die zulässige Öltemperatur beträgt −20 bis +100 °C, der maximale Prozessdruck bis zu 300 bar.
Mit zwei konfigurierbaren 4–20-mA-Ausgängen und Modbus RTU lässt sich der Sensor in SPS-, Datenlogger- und Zustandsüberwachungssysteme integrieren. Die Berechnung des Wassergehalts in ppm setzt passende ölspezifische Parameter voraus.
Feuchtesensoren für industrielle Anwendungen
Weitere Messlösungen für Feuchte, Taupunkt und industrielle Prozessüberwachung finden Sie in der Kategorie Feuchtesensoren und Taupunktsensoren.
Bei der Auswahl eines Ölfeuchtesensors werden mindestens Öltyp, Additivierung, Temperatur, Druck, Prozessanschluss, erwarteter aw-Bereich, gewünschte Ausgangssignale und Einbausituation benötigt.
UPS4E zur Prüfung der Analogsignale
Der UPS4E Stromschleifen-Kalibrator ergänzt den IFO 510 bei Inbetriebnahme und Fehlersuche.
Mit ihm lassen sich die beiden 4–20-mA-Signalwege prüfen, SPS-Eingänge simulieren und Skalierungsfehler zwischen Sensor und Auswertung erkennen.
ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auslegung der Messstelle, der Auswahl des Prozessanschlusses, der Zuordnung der Ausgangssignale und der Integration in die vorhandene Anlagensteuerung.
Fazit: Wasseraktivität zeigt den Abstand zur Sättigungsgrenze
Der Wassergehalt in ppm beschreibt die absolute Wassermenge im Öl. Die Wasseraktivität zeigt dagegen, wie nahe das Öl bei der aktuellen Temperatur an seiner Sättigungsgrenze liegt.
Gerade bei wechselnden Betriebstemperaturen ist der aw-Wert deshalb besonders aussagekräftig. Dieselbe Wassermenge kann bei warmem Öl noch vollständig gelöst sein und bei Abkühlung zur Bildung von emulgiertem oder freiem Wasser führen.
Für eine zuverlässige Zustandsbewertung sollten Wasseraktivität und Öltemperatur gemeinsam aufgezeichnet werden. Eine ppm-Ausgabe ist zusätzlich möglich, erfordert jedoch passende Parameter für den jeweiligen Öltyp.
Der IFO 510 ermöglicht die kontinuierliche Überwachung direkt im Ölkreislauf. Zwei 4–20-mA-Ausgänge und Modbus RTU unterstützen die Einbindung in SPS, Datenlogger und Condition-Monitoring-Systeme.
Entscheidend für aussagekräftige Messwerte sind eine repräsentative, kontinuierlich durchströmte Messstelle, die richtige Sensorkonfiguration und anlagenbezogene Warn- beziehungsweise Alarmgrenzen.
Häufige Fragen zur Wasseraktivität in Öl
Was bedeutet ein aw-Wert von 0,70 im Öl?
Das Öl hat bei der aktuellen Temperatur ungefähr 70 % seines Sättigungszustands erreicht. Der Wert entspricht nicht einem Wasseranteil von 70 %.
Ist Wasseraktivität dasselbe wie relative Feuchte?
Die Wasseraktivität kann als relative Sättigung des Öls betrachtet werden. Ein aw-Wert von 0,70 entspricht näherungsweise 70 % relativer Sättigung.
Warum reicht die Angabe in ppm nicht immer aus?
Die kritische Wassermenge hängt vom Öltyp und von der Temperatur ab. Derselbe ppm-Wert kann daher bei zwei Ölen oder zwei Temperaturen unterschiedlich kritisch sein.
Kann der IFO 510 den Wassergehalt in ppm ausgeben?
Ja, sofern geeignete ölspezifische Parameter hinterlegt sind. Die Umrechnung aus Wasseraktivität und Temperatur ist vom verwendeten Öl abhängig.
Wo sollte der Ölfeuchtesensor eingebaut werden?
Geeignet ist eine repräsentative und möglichst kontinuierlich durchströmte Messstelle. Toträume und Bereiche mit stehendem oder stark abgekühltem Öl sollten vermieden werden.
Kann der IFO 510 in einer druckbeaufschlagten Hydraulikleitung eingesetzt werden?
Der Sensor ist für Prozessdrücke bis 300 bar vorgesehen. Druck, Temperatur, Anschluss, Dichtung und Werkstoffverträglichkeit müssen für die konkrete Anwendung geprüft werden.
Wie kann das 4–20-mA-Signal geprüft werden?
Mit einem Stromschleifenkalibrator lassen sich Ausgangsstrom, Leitungsweg, SPS-Eingang und Skalierung separat kontrollieren.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auslegung?
Benötigt werden Öltyp und möglichst genaue Produktbezeichnung, Additive, Öltemperatur, Prozessdruck, Einbauort, Prozessanschluss, erwarteter Feuchtebereich, gewünschte Ausgangssignale und vorhandene SPS- beziehungsweise Modbus-Anbindung.