Will D., Gebhardt N. (Hrsg.) Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen
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358 12 Messtechnik in der Hydraulik
wendet nur einen Zylinder und nutzt ein höherwertiges Anzeigeinstrument (Ge-
nauigkeitsklasse 0,1 bzw. 0,2) als Vergleichsnormal. In nach ISO 9001 zerti-
fizierten Kalibrierstellen können Drucksensoren auf die Einhaltung ihrer Genauig-
keit überprüft werden.
a 1 2 3 b 4 5
Abb. 12.16 Kalibrierung der Drucksensoren (ADZ NAGANO). a Kalibrierplatz b Druck-
elemente auf Geräteträger im Temperaturofen 1 Druckbereitstellung, 2 Temperaturofen, 3
Messwertverarbeitung, 4 Geräteträger für Sensoren, 5 Druckmesszelle
Für die industrielle Anwendung technisch machbarer Verfahren zur Kalibrie-
rung von Drucksensoren wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt
[12.37]. Werden höhere Anforderungen an die Messgenauigkeit gestellt, muss vor
allem der Temperaturbereich genau definiert und durch einen geregelten
Temperierofen eingehalten werden. In Abb. 12.16 ist ein von ADZ NAGANO
entwickelter und gebauter Kalibrierplatz dargestellt.
12.1.3 Temperatur
Die Temperatur ist vor allem für die genaue Kenntnis der Viskosität und der Dich-
te des Fluids und damit zur Reproduzierbarkeit der Ergebnisse eine wichtige
Messgröße. Es gibt unterschiedliche Messprinzipien, von denen nur die in der
Hydraulik gebräuchlichsten vorgestellt werden, wobei die Temperatur generell als
elektrisches Signal erfasst werden sollte. Zu den Messprinzipien gehören Thermo-
elemente und Widerstandssensoren, Heißleiter, Kaltleiter, Silizium-Sperrschicht-
Temperatursensoren und andere, vor allem im Laborbetrieb eingesetzte Verfahren,
die jedoch für die hydraulische Messpraxis nicht relevant sind.
12.1 Messgrößen 359
12.1.3.1 Thermoelemente
Thermoelemente werden hergestellt, indem zwei Leiter gemäß Abb. 12.17, die in
der elektrischen Spannungsreihe möglichst weit auseinander stehen, an einem
Ende durch Schweißen, Löten oder Quetschen miteinander verbunden werden.
Die Verbindungsstelle ist der eigentliche Temperatursensor. Eine zwischen Sensor
und Messkabel befindliche Übergangsstelle muss mit einer bekannten Bezugs-
temperatur
Tv belegt werden, da die abgegebene Spannung des Thermoelementes
U
T
immer eine Temperaturdifferenz darstellt, die eine nichtlineare Kennlinie zur
Folge hat. Als genormte Materialien werden z. B. NiCr-Ni oder Fe-CuNi ein-
gesetzt, die letztlich als Thermoelemente in Messeinsätzen bzw. als Mantel-
thermoelemente ausgeführt sind. Die abgegebene Spannung, die im Bereich von
wenigen mV liegt, muss vor der Weiterverarbeitung verstärkt werden.
Material A
Material B
T
U
V
T
V
T
M
T
Abb. 12.17 Messkreis mit Thermoelement
Bei höheren Anforderungen an die Messgenauigkeit (Messfehler kleiner 0,5%)
ist die Thermospannung, so wie in Abb. 12.18 dargestellt, mit einer
Kompensationsschaltung zu messen. Durch sinnvolle Messverfahren wird er-
reicht, dass im Messkreis kein elektrischer Strom fließt. Die Kompensation kann
realisiert werden, indem eine stabile Kompensationsspannung der Thermo-
spannung entgegengeschaltet wird.
A
Konstant-
spannungs-
quelle
Th
U
R
Material A
Material B
M
T
V
T
V
T
Abb. 12.18 Prinzip einer Kompensationsschaltung
Die gute Dynamik des Thermoelementes wird oft durch notwendige Schutzein-
richtungen, die das System abdichten, verschlechtert. Sie werden in der mobilen
360 12 Messtechnik in der Hydraulik
Messtechnik kaum eingesetzt, da die Herstellung einer konstanten Bezugs-
temperatur bzw. einer entsprechenden Bezugsspannung relativ aufwendig ist.
12.1.3.2 Metall-Widerstandssensoren
Die Abhängigkeit des Widerstandes eines elektrischen Leiters von der Temperatur
T ergibt sich aus Gl. (12.24), wobei R
0
der Widerstand bei einer definitiv fest-
gelegten Ausgangstemperatur und
D
der Temperaturkoeffizient ist:
)1(
0
TRR
D
.
(12.24)
Durch Umstellung der Gl. (12.24) nach der Temperatur
T, kann mit Gl. (12.25) die
Temperatur aus den gemessenen Widerstandswerten berechnet werden:
D
0
0
R
RR
T
.
(12.25)
Die Drähte der Platin- oder Nickelsensoren sind so abgeglichen, dass bei
T= 0°C ein Widerstand von 100 : gilt. Daraus ergibt sich die gebräuchliche Be-
zeichnung
PT 100. In der DIN EN 60751 sind bedingt durch Fertigungstoleranzen
der Platin-Temperatursensoren in die Klassen A und B unterteilt. Sie beschreiben
dabei die Abhängigkeit des zulässigen Temperaturfehlers
dT von der realen
Temperatur. Im Jahr 2008 wurde die DIN EN 60751 um zwei Klassen AA und C
erweitert.
Abb. 12.19 Temperatursensor mit PT-100 (Hydrotechnik)
Die Sensorelemente werden als Draht- oder Schichtwiderstände ausgelegt. Die
Messsignale werden häufig im Sensor verstärkt und anschließend der Messwert-
verarbeitung zugeführt.
Die Metall-Widerstandssensoren sind genauer als Thermoelemente, haben aber oft
eine größere Zeitkonstante. Maßgeblich sind dafür die Schutzhülle des Sensors
und die Tauchhülse der Messkupplung. Aus dem damit wirkenden zeitbezogenen
Wärmeübergang ergibt sich die Ansprechzeit der Messanordnung. Um hier Grö-
ßenvorstellungen zu erhalten sind in Abb. 12.20 von Heilfort [12.41] auf-
genommene Kennlinien dargestellt. Es wird deutlich, dass nach einer Zeit von 10
Sekunden ca. 90 % des Temperaturendwertes erreicht sind. Damit ist für sehr viele
Anwendungen eine ausreichende Dynamik gegeben.
12.1 Messgrößen 361
Abb. 12.20 Ansprechzeit von Temperatursensoren gemäß Abb. 12.19
12.1.4 Kombisensoren
In der heutigen Messpraxis werden möglichst mit nur einem Eingriff in das Hyd-
rauliksystem mehrere Messgrößen erfasst. Das ist mit Kombisensoren (Abb.
12.21) möglich, die einen Druck- und Temperatursensor beinhalten.
Abb. 12.21 Kombisensor (Hydrotechnik)
362 12 Messtechnik in der Hydraulik
Die bereits bekannten Einzelkomponenten für den Druck und die Temperatur sind
konstruktiv so vereinigt, dass ein Minimessanschluss ausreichend ist. Lediglich
der elektrische Anschluss ist kompakter ausgelegt, da mehrere Signale über die
Anschlusskabel übertragen werden müssen. Diese Sensoren sind nur in den für die
Temperaturmessung vorgesehenen Messpunkten einsetzbar, da der Temperatur-
fühler sich unmittelbar im fließenden Medium befinden muss.
12.1.5 Volumenstrom
Ein wichtiger Teil im Bereich des elektrischen Messens nichtelektrischer Größen
ist die Durchflussmessung. Sie ist z. B. in der Verfahrenstechnik eine wesentliche
Grundlage für die Prozessautomatisierung. Die Messsignale werden oft in me-
chatronische Systeme in Steuer- und Regelkreisen eingebunden.
Der Durchfluss eines Fluids (z. B. in Rohrleitungen) ist die durch den Quer-
schnitt fließende Stoffmenge, dabei ist zwischen Volumenstrom und Massenstrom
zu unterscheiden. Für die Hydraulik ist der Volumenstrom von ausschlaggebender
Bedeutung, da er die hydraulische Leistung maßgeblich beeinflusst (s. Abschnitt
4.1). Der Volumenstrom ist eine zeitbezogene Messgröße gemäß Gl. (12.3), die
mit den nachfolgend dargestellten Verfahren bestimmt werden kann:
Wirkdruckverfahren,
Verdrängerverfahren,
Strömungsverfahren und
Thermische Verfahren.
Andere Messprinzipien [12.12], die häufig zur Strömungsgeschwindigkeit
proportionale Effekte nutzen, so wie z. B. induktive Durchflussmesser, Ultra-
schalldurchflussmesser, Wirbelstromdurchflussmesser oder Schwebekörperdurch-
flussmesser, werden hier nicht behandelt, da sie in der Hydraulik kaum eingesetzt
werden.
Verfahrensbedingt haben alle hier vorgestellten Volumenstromsensoren einen
auf den Momentanwert bezogenen Messfehler (MW), womit Abb. 12.22 gilt.
-1
-0,5
0
0,5
1
0 20406080100
Q [l/min]
Messfehler [%]
Abb. 12.22 Messfehler eines Volumenstromsensors bezogen auf den Momentanwert (Bsp. des
Messfehlers von 1% des MW)
12.1 Messgrößen 363
12.1.5.1 Wirkdruckverfahren
Das Messprinzip von
Wirkdruck-Durchflussmesssensoren (Abb. 12.23) beruht auf
einer Verengung des Strömungsquerschnittes (Drossel) und der damit einher-
gehenden Veränderung der Druckdifferenz [12.42].
Abb. 12.23 Prinzip Messdrossel. 1 Drossel
Aus der Kontinuitätsgleichung lässt sich die Gl. (12.26) herleiten, aus der hervor-
geht, dass unter Berücksichtigung einer von der verwendeten Blende abhängigen
Konstante
c, sich der Volumenstrom Q berechnen lässt. Fehlerquellen ergeben
sich aus dem druck- und temperaturabhängigen Einfluss auf die Dichte und der
Konstante
c der Messanordnung. Die Konstante c wird außerdem maßgeblich von
der Reynoldszahl beeinflusst. Damit wird deutlich, dass eine ausreichende Mess-
genauigkeit unter instationären Messbedingungen, die in der Hydraulik oft vor-
liegen, kaum realisiert werden kann.
U
p
cQ
'
(12.26)
Das Verfahren stellt eine einfache Möglichkeit dar, hat aber neben der unweiger-
lich produzierten Verlustleistung noch den Nachteil, dass sehr große Messfehler
auftreten können, da an der Drosselstelle eine Erwärmung des Öls eintritt und sich
damit die Viskosität verändert.
12.1.5.2 Verdrängerverfahren
Die Volumenstrommesser, die nach dem
Verdrängerprinzip arbeiten, verwenden
ein konstruktiv vorgegebenes Volumen, das pro Zeiteinheit gemessen wird. Zu
dieser Art von Sensoren gehören Ovalradsensoren, Zahnradsensoren und Schrau-
364 12 Messtechnik in der Hydraulik
benspindelsensoren. Für die Messgenauigkeit ist der volumetrische Wirkungsgrad
maßgebend. Durch Einhaltung von hohen Maßtoleranzen lassen sich hier gut
praktikable Lösungen erzielen. Ein weiterer zu beachtender Sachverhalt ist der
Druckabfall über dem Sensor, der maßgeblich vom mechanischen Wirkungsgrad
bestimmt wird. Damit kann die Drehzahl der Messkammern gemessen werden,
denn bei bekanntem Volumen
V ergibt sich aus Gl. (12.3) unter Kenntnis des
zugehörigen Zeitintervalls
dt der gesuchte Volumenstrom Q. Die technische Um-
setzung erfolgt in unterschiedlichen Ausführungsformen, denen allen eigen ist,
dass sie nahezu viskositätsunabhängig arbeiten. Ein wesentlicher Vertreter der
Volumenstromsensoren nach dem Verdrängerprinzip ist der
Zahnradsensor, der
einen Zahnradmotor mit hoher Fertigungsgenauigkeit und optimiertem mechani-
schem Wirkungsgrad darstellt [12.13]. Das Verdrängungsvolumen ist bekannt und
mittels der Bestimmung der Drehzahl erfolgt die Kalibrierung in l/min. Der druck-
feste Zahnradsensor kann je nach Baugröße von wenigen
ml/min bis zu mehreren
100
l/min bei auf den Momentanwert bezogenen Messfehlern von r 0,4% bis
r 1% eingesetzt werden. Zu beachten ist die Tatsache, dass bei höheren Volumen-
strömen die Druckdifferenz über dem Sensor ansteigt. In Abb. 12.24 ist ein Zahn-
radsensor dargestellt, der gleichzeitig Minimessanschlüsse für Druck- und
Temperatursensoren aufweist. Zahnradsensoren sind gegenüber Messturbinen
kompakter und schwerer, was beim Anschluss in Hydraulikanlagen zu beachten
ist.
Abb. 12.24 Zahnradsensors mit zusätzlichem Druckanschluss (Hydrotechnik)
12.1 Messgrößen 365
Ebenfalls zur Kategorie der Sensoren, die nach dem Verdrängerprinzip arbei-
ten, gehören Ovalrad- bzw. Wälzkolbensensoren, die sich vom Zahnradsensor
durch andere geometrische Körper unterscheiden. Sie sind nicht druckfest und
können nur in Leitungen eingesetzt werden, in denen ein geringer Druck vorliegt.
Zusätzlich ist zu beachten, dass sie aufgrund ihrer konstruktiven Gestaltung selbst
eine Drosselstelle darstellen, die eine Druckerhöhung in Abhängigkeit von der
Viskosität des Fluids und vom Volumenstrom zur Folge hat. Bei Einsatz in Leck-
leitungen darf beispielsweise dabei der zulässige Leckleitungsdruck nicht über-
schritten werden.
a
Q
b
Abb. 12.25 Ovalradvolumenstromsensor. a Schema b ausgeführte Variante (KOBOLD Mess-
ring)
In Abb. 12.25 ist ein Ovalradvolumenstromsensor dargestellt, der ebenfalls
nach dem Verdrängerprinzip arbeitet. Das Messelement besteht aus zwei ver-
zahnten Ovalzahnrädern, die vom zu messenden Volumenstrom angetrieben
werden. Bei jeder Umdrehung wird ein vom geometrischen Verdrängungs-
volumen abhängiger Volumenstrom durch die Kammern transportiert. Mittels der
zu messenden Drehzahlimpulse erfolgt die Kalibrierung und Messwertanzeige in
l/min. Der zulässige Viskositätsbereich des Fluids erstreckt sich oft auf 10 – 1000
mm
2
/s bei einem Messfehler von r 2,5% vom Momentanwert [12.14]. Der
Druckverlust über dem Sensor ist i. d. R.
<1,0 bar, allerdings kann er nur für
geringe Drücke in der Messleitung eingesetzt werden.
Außerdem gibt es noch Schraubenspindel-Volumenstromsensoren (Abb.12.26).
Sie verwenden zwei Spindeln mit Zykloiden-Profil, die durch Kugellager sehr
exakt geführt werden. Das axial zufließende Fluid versetzt die Spindeln in eine
gleichmäßige Rotation, die über Sensoren in Frequenzsignale gewandelt werden.
Bedingt durch die geometrisch genau definierten Messkammern erhält man ein
viskositätsunabhängiges Messsignal [12.15 – 12.17]. Aus der Praxis sind derartige
Sensoren mit einem Viskositätsbereich von 0,7 – 1.000.000 mm
2
/s bei einer Mess-
genauigkeit von 0,1% vom MW und einem Messbereich von 0,1 – 7.500
l/min
bekannt [12.40]. Die Druckverluste sind in Abhängigkeit des zu messenden Vo-
lumenstrom und der Viskosität des Fluids zu berücksichtigen. Der Volumenstrom
kann mittels Gl. (12.27) unter Messung der Drehzahl n ermittelt werden.
366 12 Messtechnik in der Hydraulik
n
Ds
Q
6
2
104
8,1
(12.27)
s
D
n
Steigung der Hauptspindel in mm
Durchmesser der Hauptspindel in mm
Drehzahl der Pumpe in 1/min
Abb. 12.26 Schraubenspindel-Volumenstromsensor (KRAL)
12.1.5.3 Strömungsverfahren
Volumenstromsensoren, welche die Strömungsenergie des fließenden Mediums
nutzen, werden als
Messturbinen bezeichnet. Sie werden in der Ölhydraulik rela-
tiv häufig zur Volumenstrommessung eingesetzt. Das in Abb. 12.27 sichtbare
Turbinenrad wird axial durchströmt und dadurch in Rotation versetzt. Die Dreh-
zahl des Turbinenrades ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit und der
Viskosität des Fluids. Diese, die Drehzahl verursachende Kraftkomponente am
Turbinenrad, ist von den Reibungsverhältnissen im Fluid (Grenzschichten) und
der gesamten Messstrecke abhängig. Die Drehzahl des Turbinenrades wird be-
rührungslos gemessen und für die Volumenstromanzeige genutzt. Messturbinen
sind druckfest und können in beiden Durchflussrichtungen nur unter Beachtung
der zugehörigen Kalibrierwerte (Viskosität) betrieben werden. Beim Einsatz ist
unbedingt zu beachten, dass die zu jeder Messturbine gehörigen Kalibrierwerte
nur für eine Viskosität gelten, d. h., bei Änderung des Fluids bzw. der Fluid-
temperatur treten unweigerlich Messfehler auf, die vom Anwender nicht ab-
geschätzt werden können. Hinzu kommt, dass durch Verunreinigungen des Fluids
bzw. durch hohe Druckspitzen eine Beeinflussung der Reibverhältnisse der Lager-
stellen des Turbinenrades auftreten kann. Damit ist in jedem Fall eine Ver-
fälschung der Messwerte verbunden. Messturbinen haben oft einen Fehler von
r
2,5% bezogen auf den Momentanwert (MW), d. h., der prozentuale Fehler
12.1 Messgrößen 367
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0 10203040
Töl [°C]
¨Q [l/min]
bleibt, unabhängig vom momentanen Messwert, konstant. Messturbinen sind, wie
alle Sensoren, je nach Einsatzzeit und -bedingungen von zugelassenen Kalibrier-
stellen zu überprüfen.
Abb. 12.27 Messturbine (Hydrotechnik)
Abbildung 12.28 verdeutlicht die Größenordnung der Verfälschung des mit
Messturbinen gemessenen Volumenstromes
¨Q, wenn nicht bei der für die Kalib-
rierung zugrunde gelegten kinematischen Viskosität
Q
des Fluids (oft 30 mm
2
/s)
die Messung vorgenommen wird (s. Kap.3.3). Die Werte in Abb. 12.28 gelten
beispielsweise für einen konstanten Volumenstrom von 10 l/min bei Verwendung
von HLP 46 für eine konkrete Messturbine. Die Aussagen können nur qualitativ
verallgemeinert werden, wobei aber bei geringen Temperaturen schnell Mess-
fehler von 50% erreicht werden.
Abb. 12.28 Beispiel Messwertabweichung für ¨Q in Abhängigkeit von der Öltemperatur