Die Temperatur ist in Wasserstoffanlagen eine zentrale Prozess- und Sicherheitsgröße. Sie beeinflusst die Dichte des Gases, die thermische Belastung von Verdichtern und Speichern, die Betankungszeit sowie das Verhalten von Dichtungen, Werkstoffen und Schmierstoffen.
Die Anforderungen unterscheiden sich dabei erheblich. Am Austritt eines Wasserstoffkompressors können schnell ansteigende Gastemperaturen auftreten. Bei der Betankung muss die Erwärmung des Fahrzeug- oder Speichertanks überwacht werden. Flüssiger Wasserstoff stellt mit Temperaturen nahe −253 °C nochmals völlig andere Anforderungen an Sensor, Schutzrohr, elektrische Durchführung und Kalibrierung.
Ein Temperatursensor darf deshalb nicht allein nach seinem nominellen Messbereich ausgewählt werden. Entscheidend ist das vollständige Messsystem aus Sensorelement, Schutzrohr oder Fühlerhülse, Prozessanschluss, Werkstoffen, Dichtkonzept, Ansprechzeit, Transmitter und Ex-Ausführung.
Inhaltsverzeichnis
- Welche Aufgaben erfüllt die Temperaturmessung in Wasserstoffanlagen?
- Typische Temperaturmessstellen
- Temperaturüberwachung bei der H₂-Kompression
- Temperaturmessung bei der Wasserstoffbetankung
- Flüssiger Wasserstoff und kryogene Bedingungen
- Pt100 oder Thermoelement?
- Werkstoffe, Dichtheit und Wasserstofftauglichkeit
- Schutzrohr, Einbaulänge und Ansprechzeit
- Druck- und Temperaturkompensation
- Explosionsschutz und sichere Messstellen
- Messsignal und Leitsystemanbindung
- Typische Auslegungs- und Einbaufehler
- Praxisbeispiel an einer Wasserstoff-Kompressorstation
- Temperatursensor richtig auswählen
- Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
- Fazit
- Häufige Fragen
Welche Aufgaben erfüllt die Temperaturmessung in Wasserstoffanlagen?
Temperaturmessungen werden nicht nur zur Anzeige eines Prozesswertes eingesetzt. Sie können Bestandteil der Regelung, Zustandsüberwachung, Mengenberechnung oder einer Abschaltfunktion sein.
Typische Aufgaben sind:
- Überwachung der Ein- und Austrittstemperatur von Verdichterstufen,
- Kontrolle von Zwischen- und Nachkühlern,
- Schutz von Dichtungen, Lagern und Schmierstoffen vor Übertemperatur,
- Überwachung von Hochdruckspeichern und Pufferbehältern,
- Regelung der Vorkühlung an Wasserstofftankstellen,
- Bestimmung von Gasdichte und Normvolumen zusammen mit dem Absolutdruck,
- Überwachung kryogener Leitungen, Tanks und Verdampfer,
- Erkennung ungewöhnlicher Temperaturverläufe bei Befüllung oder Entspannung.
Je nach Aufgabe gelten unterschiedliche Anforderungen. Für eine langsame Speichertemperatur kann eine hohe Genauigkeit wichtiger sein als eine sehr kurze Ansprechzeit. Am Ausgang einer Verdichterstufe muss der Sensor dagegen schnelle Temperaturanstiege zuverlässig erfassen.
Typische Temperaturmessstellen
| Messstelle | Typische Aufgabe | Besondere Anforderung |
|---|---|---|
| Kompressoreintritt | Erfassung der Ansaugbedingungen | Genaue Messung für Prozessvergleich und Verdichterüberwachung |
| Verdichteraustritt | Erkennung der Kompressionswärme | Kurze Ansprechzeit und ausreichender oberer Messbereich |
| Zwischenkühler | Kontrolle der Kühlleistung | Vergleich von Ein- und Austrittstemperatur |
| Hochdruckspeicher | Überwachung von Füllung und Entnahme | Druckfester und langfristig dichter Prozessanschluss |
| Betankungsleitung | Kontrolle des gekühlten Wasserstoffs | Schnelle Reaktion bei hohem Druck und wechselndem Durchfluss |
| Fahrzeug- oder Prüfbehälter | Überwachung der Tanktemperatur während der Befüllung | Repräsentative Position und geringe thermische Verzögerung |
| LH₂-Tank | Überwachung von Flüssigphase, Gasraum und Verdampfung | Eignung für Temperaturen nahe −253 °C |
| Kryogene Transferleitung | Kontrolle von Kühlung und Wärmeaufnahme | Minimierter Wärmeeintrag durch Sensor und Durchführung |
Eine einzige Messstelle kann den thermischen Zustand einer kompletten Anlage meist nicht ausreichend beschreiben. Besonders bei mehrstufigen Verdichtern und langen Betankungsleitungen sind mehrere Temperaturwerte erforderlich.
Temperaturüberwachung bei der H₂-Kompression
Bei der Verdichtung von Wasserstoff steigt die Gastemperatur. Wie stark der Temperaturanstieg ausfällt, hängt unter anderem von Druckverhältnis, Verdichterbauart, Wirkungsgrad, Kühlung und Betriebszustand ab.
Die Temperatur wird deshalb häufig vor und nach jeder Verdichterstufe gemessen. Aus der Differenz lassen sich Rückschlüsse auf die Stufenbelastung und die Wirkung der Zwischenkühlung ziehen.
Ein ungewöhnlicher Temperaturanstieg kann beispielsweise auf folgende Probleme hinweisen:
- unzureichende Kühlung,
- verschmutzte Wärmetauscher,
- fehlerhafte Ventile,
- erhöhte Reibung,
- falsche Verdichtersteuerung,
- ungewöhnlich hohe Eintrittstemperatur,
- abweichende Druckverhältnisse.
Am Verdichteraustritt ist eine kurze Ansprechzeit besonders wichtig. Ein massives Schutzrohr bietet zwar eine hohe mechanische Belastbarkeit, kann einen schnellen Temperaturanstieg jedoch zeitlich verzögert anzeigen.
Die Auslegung muss daher zwischen Druckfestigkeit, Vibrationsbeständigkeit und Messdynamik abwägen. Bei sehr schnellen Vorgängen kann ein kleiner Messeinsatz mit optimierter Wärmeübertragung innerhalb eines berechneten Schutzrohrs sinnvoll sein.
Temperaturmessung bei der Wasserstoffbetankung
Bei einer schnellen Befüllung steigt die Temperatur im Speicher durch die Verdichtung des Wasserstoffs und den Wärmeaustausch mit Tankwand und Umgebung. Zu hohe Temperaturen können die zulässigen Betriebsgrenzen von Tank, Dichtungen und angeschlossenen Komponenten überschreiten.
Wasserstoff wird daher bei vielen Hochdruck-Betankungsprozessen vorgekühlt. Die Temperatur muss an einer repräsentativen Stelle im Abgabesystem erfasst werden. Abhängig vom Anlagenkonzept können zusätzliche Messstellen am Wärmetauscher, Speicher, Dispenser und Prüfbehälter erforderlich sein.
Für die Betankung sind insbesondere folgende Eigenschaften wichtig:
- schnelle Erfassung wechselnder Gastemperaturen,
- geringes Totvolumen,
- hohe Druck- und Wechseldruckfestigkeit,
- ausreichende Dichtheit bei wiederholten Temperaturzyklen,
- geeignete Werkstoffe für Wasserstoff und tiefe Temperaturen,
- kurze und eindeutig dokumentierte Signalverzögerung.
Ein Sensor mit großer thermischer Masse kann bei einem schnellen Füllvorgang deutlich wärmer anzeigen als der tatsächlich vorbeiströmende, vorgekühlte Wasserstoff. Die Messstelle sollte deshalb nicht nur nach mechanischer Einfachheit ausgewählt werden.
Auch die Position unmittelbar hinter einem Wärmetauscher ist kritisch. Eine unzureichende Eintauchtiefe oder ein stark wärmeleitender Prozessanschluss kann dazu führen, dass eher die Rohrwand als die Gastemperatur gemessen wird.
Flüssiger Wasserstoff und kryogene Bedingungen
Flüssiger Wasserstoff wird bei Temperaturen nahe −253 °C gelagert. Dieser Bereich liegt unterhalb des üblichen Einsatzbereichs vieler industrieller Pt100-Widerstandsthermometer.
Eine nominelle Untergrenze von −196 °C reicht für eine direkte LH₂-Messung nicht aus. −196 °C entspricht ungefähr dem Temperaturbereich von flüssigem Stickstoff und liegt noch rund 57 K oberhalb der Siedetemperatur von Wasserstoff bei Atmosphärendruck.
Für direkte Messungen in flüssigem Wasserstoff müssen daher speziell ausgelegte kryogene Sensoren verwendet werden. Abhängig von der Messaufgabe kommen beispielsweise geeignete Thermoelemente oder spezielle Widerstandssensoren infrage.
Geprüft werden müssen nicht nur das Sensorelement, sondern auch:
- Fühlerhülle und Schutzrohrwerkstoff,
- Schweißverbindungen und Prozessanschluss,
- elektrische Isolation bei kryogenen Temperaturen,
- Dichtungen und Kabeldurchführungen,
- Wärmeleitung entlang des Sensorschaftes,
- Kalibrierung im tatsächlich benötigten Temperaturbereich,
- mechanische Belastung durch starke Temperaturwechsel.
Ein Transmitter, der Thermoelemente bis −270 °C verarbeiten kann, bestätigt zunächst nur den elektrischen Eingangsbereich. Er bestätigt nicht automatisch, dass der angeschlossene Fühler, das Schutzrohr und der Prozessanschluss für flüssigen Wasserstoff geeignet sind.
Bei vakuumisolierten Tanks oder Transferleitungen kann der Sensor außerdem eine unerwünschte Wärmebrücke bilden. Die Einbaulösung muss daher so konstruiert sein, dass der Wärmeeintrag begrenzt wird und der Messwert nicht durch Wärmeleitung aus der Umgebung verfälscht wird.
Pt100 oder Thermoelement?
| Kriterium | Pt100-Widerstandsthermometer | Thermoelement |
|---|---|---|
| Typische Stärke | Hohe Genauigkeit und gute Langzeitstabilität | Großer Temperaturbereich und kurze Ansprechzeit möglich |
| Unterer Temperaturbereich | Bei industriellen Ausführungen häufig bis etwa −196 °C | Je nach Typ und Ausführung nominell bis etwa −270 °C möglich |
| Signal | Widerstandsänderung | Kleine Thermospannung |
| Leitungsfehler | Durch 3- oder 4-Leiter-Schaltung reduzierbar | Ausgleichsleitung und Vergleichsstellenkompensation erforderlich |
| Dynamik | Abhängig von Bauform und Schutzrohr | Mit dünnem Messeinsatz sehr schnell möglich |
| Typische Anwendung | Genaue Prozess-, Speicher- und Kühlmittelmessung | Schnelle Temperaturänderungen und sehr breite Messbereiche |
Für gasförmigen Wasserstoff in einem moderaten oder tiefen Temperaturbereich ist ein Pt100 häufig eine gute Lösung. Bei langen Leitungen und hohen Genauigkeitsanforderungen sollte eine 4-Leiter-Schaltung oder ein nahe am Sensor montierter Temperaturtransmitter geprüft werden.
Thermoelemente eignen sich besonders für schnelle Temperaturänderungen und sehr große Messbereiche. Ihre Genauigkeit hängt jedoch von Thermoelementtyp, Toleranzklasse, Ausgleichsleitung, Vergleichsstellenkompensation und Installation ab.
Für direkte LH₂-Messungen ist die Auswahl allein anhand der Tabellenuntergrenze eines Thermoelementtyps nicht ausreichend. Erforderlich sind eine geeignete Fühlerkonstruktion und eine nachvollziehbare Kalibrierung im kryogenen Bereich.
Werkstoffe, Dichtheit und Wasserstofftauglichkeit
Wasserstoff besitzt eine hohe Diffusionsfähigkeit. Bei hohem Druck, wechselnden Temperaturen und häufigen Lastwechseln werden Prozessanschluss, Schweißnähte, Schutzrohr und Dichtungen besonders beansprucht.
Die Auswahl der metallischen Werkstoffe muss anhand von Druck, Temperatur, Wasserstoffreinheit, Lastzyklen und bestehenden Werkstoffvorgaben erfolgen. Eine pauschale Aussage wie „Edelstahl ist immer geeignet“ reicht nicht aus.
Besondere Aufmerksamkeit erfordern:
- drucktragende Schweißverbindungen,
- Gewinde- und Dichtflächen,
- Werkstoffzustand und Wärmebehandlung,
- mögliche Wasserstoffversprödung,
- Permeation durch nichtmetallische Dichtungen,
- Temperaturwechsel zwischen Vorkühlung und Umgebung,
- zulässige Leckagerate der vollständigen Messstelle.
Bei hohen Drücken ist eine metallisch dichtende oder verschweißte Konstruktion häufig vorteilhaft. Ob sie erforderlich ist, hängt jedoch von der konkreten Anwendung und dem Anlagenstandard ab.
Die Wasserstofftauglichkeit muss für den vollständigen Sensor und nicht nur für das Sensorelement bestätigt werden.
Schutzrohr, Einbaulänge und Ansprechzeit
Ein Schutzrohr trennt den Temperaturfühler vom Prozess. Es ermöglicht häufig einen Austausch des Messeinsatzes, ohne die Anlage vollständig öffnen zu müssen, und schützt den Sensor vor Druck, Strömung und mechanischer Belastung.
Das Schutzrohr beeinflusst jedoch die Messdynamik. Mit zunehmender Wanddicke und Masse wird die Messung langsamer. Gleichzeitig kann ein zu dünnes Schutzrohr bei hohem Druck, Vibration oder pulsierender Strömung mechanisch unzureichend sein.
Bei der Auslegung sind unter anderem zu berücksichtigen:
- maximaler Prozess- und Prüfdruck,
- Gasgeschwindigkeit und Strömungsrichtung,
- Einbaulänge und freie Auskragung,
- Außen- und Spitzendurchmesser,
- Werkstoff und Prozessanschluss,
- Eigenfrequenz und strömungsinduzierte Anregung,
- gewünschte Ansprechzeit.
Der Sensor muss ausreichend tief in den Prozess eintauchen, damit Wärmeleitung über Prozessanschluss und Rohrwand den Messwert nicht dominiert. In kleinen Leitungen kann eine Montage in einem Rohrbogen oder schräg gegen die Strömung sinnvoll sein, sofern die mechanische Auslegung dies zulässt.
Ein an der Außenseite angeklemmter Oberflächenfühler misst zunächst die Rohrwandtemperatur. Er kann für Trendüberwachung oder eine zusätzliche Plausibilitätsprüfung nützlich sein, ersetzt aber nicht automatisch eine direkte Gastemperaturmessung.
Druck- und Temperaturkompensation
Die Dichte von gasförmigem Wasserstoff hängt von Druck und Temperatur ab. Für die Umrechnung eines Betriebsvolumenstroms in Normvolumen- oder Massenstrom werden deshalb mindestens der absolute Druck und die Gastemperatur benötigt.
Bei hohen Drücken reicht eine einfache ideale Gasgleichung je nach Genauigkeitsanforderung nicht aus. Dann muss ein geeignetes Realgasmodell für Wasserstoff verwendet werden.
Druck- und Temperaturmessung sollten möglichst denselben Prozesszustand erfassen. Liegt der Temperatursensor weit hinter dem Druckmesspunkt, können Kühler, Ventile oder Rohrleitungsverluste dazu führen, dass beide Werte nicht zusammenpassen.
Auch unterschiedliche Ansprechzeiten können Fehler verursachen. Bei einem schnellen Betankungs- oder Verdichtungsvorgang reagiert der Drucksensor möglicherweise innerhalb weniger Millisekunden, während ein massives Temperaturmesssystem mehrere Sekunden benötigt.
Für dynamische Kompensationen müssen daher Messstellenposition, Abtastrate, Dämpfung und Sensorverzögerung gemeinsam betrachtet werden.
Explosionsschutz und sichere Messstellen
Wasserstoff bildet mit Luft eine explosionsfähige Atmosphäre. Ob eine konkrete Messstelle als Ex-Zone eingestuft ist, ergibt sich aus der Gefährdungsbeurteilung und dem Explosionsschutzdokument der Anlage.
Liegt die Messstelle in einem explosionsgefährdeten Bereich, müssen Sensor, Anschlusskopf, Temperaturtransmitter, Kabelverschraubung und elektrischer Stromkreis für die jeweilige Zone und Zündschutzart geeignet sein.
Zu prüfen sind insbesondere:
- ATEX- beziehungsweise IECEx-Ausführung,
- Gerätekategorie und Schutzniveau,
- Temperaturklasse,
- zulässige Umgebungstemperatur,
- eigensicherer Stromkreis oder andere Zündschutzart,
- zugehöriges Betriebsmittel und Leitungsparameter,
- Potentialausgleich und Schirmung.
Eine Ex-Zulassung bestätigt nicht automatisch die Wasserstofftauglichkeit des drucktragenden Prozessanschlusses. Explosionsschutz, Druckfestigkeit und Medienverträglichkeit sind getrennte Anforderungen, die gleichzeitig erfüllt werden müssen.
Messsignal und Leitsystemanbindung
Ein Pt100 oder Thermoelement kann direkt auf eine geeignete Eingangskarte geführt oder über einen Temperaturtransmitter in ein standardisiertes Signal umgewandelt werden.
Ein 4–20-mA-Transmitter bietet Vorteile bei längeren Leitungswegen und industriellen Störquellen. Abhängig vom Gerät können zusätzlich HART-Diagnosen, Sensorbrucherkennung und ein definierter Fehlerstrom bereitgestellt werden.
Bei der Inbetriebnahme kann der analoge Eingang der SPS mit dem Druck UPS4E Stromschleifen-Kalibrator geprüft werden. Dabei wird der Temperaturtransmitter abgeklemmt und durch definierte Stromwerte ersetzt.
Die elektrische Prüfung bestätigt die Skalierung und Verdrahtung der Stromschleife. Sie ersetzt nicht die Temperaturkalibrierung des Fühlers oder des vollständigen Messsystems.
Bei einer sicherheitsrelevanten Abschaltung sollte geprüft werden, ob Regelmessung und Schutzfunktion voneinander unabhängig ausgeführt werden müssen. Ein einzelner Sensor darf nicht ohne Bewertung gleichzeitig die Prozessregelung und die alleinige Sicherheitsabschaltung übernehmen.
Typische Auslegungs- und Einbaufehler
Der Sensorbereich endet bei −196 °C, soll aber direkt LH₂ messen
Die angegebene Untergrenze reicht nicht für flüssigen Wasserstoff bei etwa −253 °C aus. Es wird eine spezielle kryogene Ausführung benötigt.
Nur das Sensorelement wird als wasserstoffgeeignet bewertet
Prozessanschluss, Schutzrohr, Schweißnähte, Dichtungen und Kabeldurchführung werden nicht berücksichtigt.
Das Schutzrohr wird ausschließlich nach dem Druck ausgewählt
Eine sehr massive Ausführung kann schnelle Temperaturänderungen so stark verzögern, dass die Regelung oder Abschaltung zu spät reagiert.
Die Eintauchtiefe ist zu gering
Der Messwert wird durch die Temperatur von Rohrwand und Umgebung beeinflusst und entspricht nicht der tatsächlichen Gastemperatur.
Oberflächentemperatur und Gastemperatur werden gleichgesetzt
Zwischen Gas, Rohrwand und Umgebung können erhebliche Temperaturdifferenzen und zeitliche Verzögerungen bestehen.
Der Temperaturtransmitter unterstützt −270 °C
Daraus wird abgeleitet, dass auch der angeschlossene Fühler und Prozessanschluss für LH₂ geeignet sind. Der elektrische Eingangsbereich allein bestätigt dies nicht.
Druck- und Temperaturwert stammen aus unterschiedlichen Prozesszuständen
Die Messstellen liegen zu weit auseinander oder besitzen stark unterschiedliche Ansprechzeiten. Die daraus berechnete Dichte oder Normmenge kann fehlerhaft sein.
Die Ex-Ausführung wird erst nachträglich berücksichtigt
Anschlusskopf, Transmitter oder Kabelverschraubung passen dann möglicherweise nicht zur vorgesehenen Zone oder Zündschutzart.
Praxisbeispiel: Temperaturüberwachung an einer Wasserstoff-Kompressorstation
Eine Wasserstoffanlage verdichtet gasförmigen Wasserstoff in mehreren Stufen und speichert ihn anschließend in Hochdruckbehältern. Der Betreiber möchte Verdichter, Zwischenkühler und Speicher thermisch überwachen.
Vorgesehen werden folgende Messstellen:
- Temperatur am Eintritt der ersten Verdichterstufe,
- Austrittstemperatur jeder Verdichterstufe,
- Temperatur hinter jedem Zwischenkühler,
- Gastemperatur vor dem Hochdruckspeicher,
- Temperatur an mehreren Speicherbehältern.
Für die Eintritts- und Speichertemperaturen werden genaue Pt100-Widerstandsthermometer eingesetzt. An den Verdichteraustritten sind schnellere Messeinsätze mit mechanisch berechneten Schutzrohren vorgesehen.
Während der Inbetriebnahme zeigt die zweite Verdichterstufe eine deutlich höhere Austrittstemperatur als die übrigen Stufen. Der Wert steigt jedoch nur sehr langsam an. Die Prüfung ergibt, dass an dieser Stelle ein besonders massives Schutzrohr mit geringer Eintauchtiefe eingebaut wurde.
Nach einer erneuten mechanischen Auslegung wird eine strömungsgünstigere Ausführung mit geringerer thermischer Masse und ausreichender Festigkeit verwendet. Der Sensor erkennt den Temperaturanstieg nun deutlich früher.
Zusätzlich werden die Temperaturwerte hinter den Zwischenkühlern mit Druck und Durchfluss verknüpft. Dadurch kann die Steuerung zwischen einer erhöhten Eintrittstemperatur, unzureichender Kühlung und einer abweichenden Verdichterleistung unterscheiden.
Für eine spätere Erweiterung um eine LH₂-Speicherung können die vorhandenen Pt100-Messstellen nicht unverändert übernommen werden. Der kryogene Anlagenteil benötigt eigene Sensoren, Durchführungen und Kalibrierkonzepte für Temperaturen nahe −253 °C.
Temperatursensor richtig auswählen
Für eine belastbare Auslegung werden mindestens folgende Angaben benötigt:
- gasförmiger, flüssiger oder zweiphasiger Wasserstoff,
- minimaler, normaler und maximaler Temperaturbereich,
- Betriebs-, Prüf- und möglicher Störfalldruck,
- statische oder schnell wechselnde Temperatur,
- erforderliche Genauigkeit und Ansprechzeit,
- Rohrnennweite, Strömungsgeschwindigkeit und Einbaulage,
- Prozessanschluss und zulässige Leckagerate,
- Werkstoff- und Dichtungsvorgaben,
- direkter Einbau oder Schutzrohr,
- Pt100, Thermoelement oder projektspezifischer Kryosensor,
- Ex-Zone und gewünschte Zündschutzart,
- Ausgangssignal und Leitsystemanbindung,
- Kalibrier- und Dokumentationsanforderungen.
Insbesondere bei Hochdruckbetankung und flüssigem Wasserstoff sollte die Messstelle als vollständige Baugruppe ausgelegt werden. Ein einzelner Katalogwert reicht für die Beurteilung von Druckfestigkeit, Dichtheit, Dynamik und kryogener Eignung nicht aus.
Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
H₂-Temperatursensoren
Die Kategorie H²-Temperatursensoren umfasst Widerstandsthermometer und Thermoelemente für Wasserstoffanwendungen wie Erzeugung, Speicherung, Kompression und Rohrleitungssysteme.
Die konkrete Eignung hängt von Messbereich, Druck, Werkstoffen, Prozessanschluss und Ex-Anforderungen ab. Bei kryogenen Anwendungen muss zusätzlich geprüft werden, ob die vollständige Ausführung den tatsächlich erforderlichen Tieftemperaturbereich abdeckt.
WIKA Typ TR10-B Widerstandsthermometer
Das WIKA Typ TR10-B ist ein Widerstandsthermometer zum Einbau in ein Schutzrohr. Es kann mit Pt100- oder Pt1000-Sensoren ausgeführt werden und ist in explosionsgeschützten Varianten verfügbar.
Der angegebene Sensorbereich von −196 bis +600 °C deckt viele gasförmige Wasserstoffanwendungen, Kühlprozesse und Verdichter-Messstellen ab. Für eine direkte Messung in flüssigem Wasserstoff reicht die Untergrenze von −196 °C jedoch nicht aus.
WIKA Typen TC12-B und TC12-M
Die WIKA Typen TC12-B und TC12-M sind Prozess-Thermoelemente zum Einbau in ein Schutzrohr oder Basismodul.
Sie eignen sich besonders für Verdichter, Prozessleitungen und Anlagenbereiche mit höheren Temperaturen oder schnellen Temperaturänderungen. Unterschiedliche Temperaturtransmitter und explosionsgeschützte Ausführungen sind verfügbar.
Der auf der Produktseite genannte Anwendungsbereich beginnt bei −40 °C. Diese Ausführung ist daher nicht für eine direkte LH₂-Messung vorgesehen.
WIKA Typ TC40 Kabel-Thermoelement
Das WIKA Typ TC40 ist ein kompakter Kabel-Temperaturfühler für den direkten Einbau in Maschinen, Rohrleitungen und Behälter.
Seine geringe Baugröße kann kurze Ansprechzeiten ermöglichen. Prozessanschluss, Fühlerhülle und Abdichtung müssen jedoch passend zu Druck, Wasserstoff und Einbausituation ausgewählt werden. Die Standardausführung ist nicht automatisch für Hochdruckwasserstoff oder kryogenen LH₂-Betrieb freigegeben.
Temperaturfühler für projektspezifische Kryomessungen
Die Kategorie Temperatursensoren / Temperaturfühler enthält weitere Pt100-, Thermoelement- und Prozessfühler-Ausführungen.
Für eine direkte LH₂-Messung muss daraus eine projektspezifische Konfiguration mit geeignetem Sensorelement, kryogenem Messbereich, H₂-tauglichen Werkstoffen, druckfestem Prozessanschluss und passendem Kalibrierkonzept zusammengestellt werden.
Die nominelle Untergrenze eines Thermoelements oder Temperaturtransmitters ist dabei nur ein Auswahlkriterium. Die Freigabe muss sich auf das vollständige, montierte Messsystem beziehen.
Fazit: Wasserstoff-Temperaturmessung muss auf den Prozessabschnitt abgestimmt werden
Bei der Wasserstoffkompression steht die schnelle Erkennung von Temperaturanstiegen im Vordergrund. Schutzrohr, Einbaulänge und thermische Masse müssen so ausgelegt sein, dass hohe Druckfestigkeit nicht zu einer unzulässig langsamen Messung führt.
Bei der Betankung sind Vorkühlung, schnelle Druckänderungen und kurze Prozesszeiten zu berücksichtigen. Sensor und Messstelle müssen die tatsächliche Gastemperatur erfassen und dürfen nicht überwiegend von Rohrwand oder Umgebung beeinflusst werden.
Flüssiger Wasserstoff erfordert eine eigenständige kryogene Auslegung. Ein Sensorbereich bis −196 °C ist dafür nicht ausreichend. Auch ein Transmitter-Eingang bis −270 °C bestätigt noch keine Eignung des vollständigen Fühlers für LH₂.
Pt100-Sensoren bieten bei gasförmigem Wasserstoff eine hohe Genauigkeit und Stabilität. Thermoelemente sind vorteilhaft bei schnellen Temperaturänderungen und besonders großen Messbereichen. Die endgültige Auswahl hängt jedoch von Druck, Temperatur, Werkstoffen, Dichtheit, Dynamik und Explosionsschutz ab.
Für eine zuverlässige Lösung sollten Sensor, Schutzrohr, Prozessanschluss, Transmitter und Kalibrierung als vollständiges Messsystem ausgelegt werden.
Häufige Fragen zur Temperaturmessung in Wasserstoffanlagen
Kann ein normaler Pt100 für Wasserstoff verwendet werden?
Das Sensorelement kann grundsätzlich geeignet sein. Die Wasserstofftauglichkeit hängt jedoch zusätzlich von Fühlerhülle, Schutzrohr, Prozessanschluss, Dichtungen, Druck und Temperatur ab.
Ist ein Pt100 bis −196 °C für flüssigen Wasserstoff geeignet?
Nein, nicht für eine direkte Messung der Flüssigphase nahe −253 °C. Dafür ist eine speziell ausgelegte kryogene Sensorbaugruppe erforderlich.
Warum steigt die Temperatur beim Verdichten von Wasserstoff?
Bei der Kompression wird dem Gas Energie zugeführt. Ohne vollständige Wärmeabfuhr führt dies zu einem Temperaturanstieg, der durch Zwischen- und Nachkühler begrenzt werden muss.
Warum wird Wasserstoff vor der Betankung gekühlt?
Die schnelle Befüllung und Druckerhöhung erwärmen Wasserstoff und Speicher. Durch Vorkühlung kann der Temperaturanstieg während des Tankvorgangs begrenzt werden.
Welcher Sensor reagiert schneller: Pt100 oder Thermoelement?
Die Bauform ist häufig entscheidender als das Messprinzip. Ein dünnes Thermoelement kann sehr schnell reagieren, während ein Pt100 in einem massiven Schutzrohr deutlich langsamer ist. Auch schnelle Pt100-Ausführungen sind möglich.
Kann die Rohrwandtemperatur als Gastemperatur verwendet werden?
Nur nach technischer Bewertung. Bei schnellen Temperaturänderungen, schlechter Wärmeübertragung oder äußeren Temperatureinflüssen kann die Rohrwand deutlich von der Gastemperatur abweichen.
Benötigt jeder H₂-Temperatursensor eine ATEX-Zulassung?
Nein. Eine Ex-Zulassung ist erforderlich, wenn die Messstelle entsprechend als explosionsgefährdeter Bereich eingestuft ist. Die genaue Ausführung richtet sich nach Zone und Schutzkonzept.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auslegung?
Benötigt werden Medium und Aggregatzustand, Temperatur- und Druckbereich, Temperaturänderungsgeschwindigkeit, Rohrdaten, Prozessanschluss, Werkstoffvorgaben, gewünschte Genauigkeit und Ansprechzeit, Ex-Anforderungen, Ausgangssignal sowie Kalibrier- und Dokumentationsanforderungen.