Will D., Gebhardt N. (Hrsg.) Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen
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378 12 Messtechnik in der Hydraulik
Abb. 12.38 Handgerät (Hydrotechnik) Abb. 12.39 Multisystem 8050 (Hydrotechnik)
Die Messgeräte sind Bestandteil der gesamten Messkette und müssen, so wie in
Abb. 12.1 dargestellt, hinsichtlich der Messgenauigkeit berücksichtigt werden.
Vor allem im mobilen Einsatz, also gegebenenfalls mit wechselnden Sensoren
bzw. Messsignalen ist die Situation besonders kritisch. Die Kalibrierung besteht
demnach darin, dass bekannte elektrische Signale am Eingang des Messgerätes
eine entsprechende einheitengerechte Anzeige und Speicherung der Messwerte
ermöglichen.
Abb. 12.40 Kalibrierung von Messgeräten (Hydrotechnik)
12.2 Hydraulikmessgeräte 379
In Abb. 12.40 ist das an einem Beispiel dargestellt. Die für die Kalibrierung ge-
nutzten elektrischen Größen müssen konstant sein und mit kalibrierten Mess-
geräten verglichen werden. Sinnvolle Einflussfaktoren, wie u. a. die Temperatur
können berücksichtigt werden. Im Sinne eines Qualitätssicherungssystems sind
die Messwerte zu erfassen und zu archivieren. Durch justieren können die Ver-
stärker der Messgeräte auf sinnvolle Sollwerte eingestellt werden. Die gegebenen-
falls zu berücksichtigenden Störgrößen können ebenfalls in der Software des
Messgerätes implementiert werden.
12.2.3 Sensoren und Messgeräte zur Analyse des Fluids
Der Kontaminationszustand des Fluids beeinflusst zum einen die Eigenschaften
des gesamten Hydrauliksystems entscheidend und gibt zum anderen auch Aus-
kunft über die aktuelle Verschleißlage des Systems und somit auch auf die zu
erwartende Verfügbarkeit der Anlage.
Der Einsatz entsprechender Messtechnik in unterschiedlichen Konfigurationen
ermöglicht sowohl eine kontinuierliche Überwachung und Zustandsdiagnose von
hydraulischen Systemen, als auch die Verschleißüberwachung und Schadensfrüh-
erkennung.
12.2.3.1 Partikelzähler
Durch Kenntnis der in einem Hydraulik- bzw. Schmierungssystem vorhandenen
Partikelverteilung (Anzahl und Größe von Feststoffpartikeln in einem definierten
Fluidvolumen) erhält man wichtige Informationen zur Beurteilung des System-
zustandes wie:
Effizienz der eingesetzten Filterkonfiguration,
Veränderung der Verschleißlage im System,
Veränderung bezüglich der auf das System wirkenden Sekundärver-
schmutzung.
Der Anwender ist so in der Lage, durch geeignete Maßnahmen Einfluss auf den
Systemzustand zu nehmen und damit eine optimale Anlagenverfügbarkeit zu ge-
währleisten.
Die Frage der Messgenauigkeit ist dabei keinesfalls davon abhängig, ob online
oder mittels Flaschenprobe mit Laborauswertung gemessen wird, sondern wird
von der durch die zur Partikelzählung verwendeten Sensorik und einen darauf
abgestimmten Messablauf bestimmt [12.23, 12.34].
In der Labormesstechnik werden üblicherweise nach ISO 11171 kalibrierte
optische Lasersensoren eingesetzt: Die damit verbundene direkte Messmethode,
bei der die Partikel mittels Laserstrahl auf einer Fotozelle abgebildet werden,
verfügt über eine hohe Messgenauigkeit, versagt jedoch bei im Medium vor-
handenem Wasser oder Luftblasen, die ebenfalls als Schmutzpartikel detektiert
380 12 Messtechnik in der Hydraulik
werden. Die indirekte Messmethode, welche auf den Verstopfungseffekt von
Sieben (Blockadeprinzip) durch die Schmutzpartikel und den damit verbundenen
Anstieg der Druckdifferenz beruht, wird durch Luft oder Wasser nicht beeinflusst.
Die Messgenauigkeit ist jedoch stark von der Partikelgrößenverteilung abhängig
und nicht mit einer direkten Partikelzählung vergleichbar [12.24].
Abb. 12.41 Partikelzähler CCS 4 (INTERNORMEN Technology)
In dem CCS 4 gemäß Abb. 12.41 wird ein 8-Kanal automatischer Partikelzähler
mit einer vorgeschalteten Druckanpassung eingesetzt. Eine Druckmindereinheit
ermöglicht den direkten Anschluss des Messsystems an Hydraulikanlagen bis zu
Betriebsdrücken von 420
bar. Wird die zu analysierende Fluidprobe aus einem
Tank entnommen, kann eine im Messsytem integrierte Hydraulikpumpe im Saug-
betrieb verwendet werden. Die Dosier- und Zuführeinheit hat die Aufgabe einen
definierten Messablauf am Sensor zu gewährleisten. Ein Zylinder-Kolbensystem
wird mit 15 ml des zu analysierenden Fluides befüllt und anschließend wird das
Fluid mit annähernd konstanter Fließgeschwindigkeit mittels Kolben durch den
12.2 Hydraulikmessgeräte 381
Sensor gedrückt. Während der eigentlichen Messung ist der Sensor somit gegen-
über störenden Einflüssen entkoppelt. Ein konstantes Messvolumen ist gewähr-
leistet, Druck und Volumenstromschwankungen im System haben keinen Einfluss
auf das Messergebnis. Der Partikelzähler CCS 4 zählt Partikel in den Messkanälen
> 4 μm
(c)
, 4,6 μm
(c)
, 6 μm
(c)
, 6,4 μm
(c)
10 μm
(c)
, 21 μm
(c)
und 37 μm
(c)
. Ebenfalls
werden die Ergebnisse in Form von Reinheitsklassen nach ISO 4406:99, ISO
4406:87, SAE AS 4059 und NAS 1639 dargestellt.
Es können Einzelmessungen, kontinuierliche Messungen, Zyklusmessungen
und Bottelsamplingmessungen (mit Zusatzeinrichtung) durchgeführt werden
[12.24, 12.43]. In Abb. 12.42 ist das Blockschaltbild des aus Abb. 12.41 be-
kannten Partikelzählers dargestellt. Außer der Partikelzählung verfügt das Gerät
auch über eine Wassersättigungs- und Temperaturmessung, die zur Wasser-
gehaltsbestimmung dient.
Das Gerät ist besonders geeignet zur Messung in hydraulischen Hoch- und
Niederdruckanlagen und bei dynamischen Vorgängen, wie z. B. Messung des
Schmutzeintrages an hydraulischen Zylindern.
Abb. 12.42 Blockschaltbild Partikelzähler (INTERNORMEN Technology)
Das in Abb. 12.43 dargestellte Messgerät OCM 01 verfügt neben einem Acht-
Kanal-Partikelzähler zur Reinheitsklassenermittlung gemäß ISO4406:99, SAE AS
4059 und NAS 1639 auch über Sensoren zur Messung der Wassersättigung, der
Temperatur, der Viskosität und der relativen Feuchte. [12.44].
382 12 Messtechnik in der Hydraulik
Abb. 12.43 OCM 01 (INTERNORMEN Technology)
Da mit diesem System auch verschäumte Öle bis zu einer Viskosität von 400
mm²/s gemessen werden können, eignet es sich auch zur Messung an Groß-
getrieben und aufgrund der Messung der wichtigsten Ölparameter zur Be-
stimmung der Fluidalterung.
Abb. 12.44 Inline – Messsystem: Anzeige- und Steuergerät CCM 01 und Inline-Sensor
PFS 01 (INTERNORMEN Technology)
Kostengünstige Lösungen zur ständigen Überwachung von Hydraulik und
Schmierungssystemen bieten Inline-Sensoren. Diese sind zum ständigen Verbleib
in der Anlage geeignet, haben allerdings im Vergleich zu den mobilen Präzisions-
geräten einen eingeschränkten Betriebsparameterbereich. Inline-Partikelzähler
sind effektiverweise im Nebenstromkreis einzusetzen [12.25]. Das Inline-
12.2 Hydraulikmessgeräte 383
Messsystem gemäß Abb. 12.44 setzt sich aus dem Inline-Sensor zur Messwertauf-
nahme und einem Anzeige- und Steuergerät zur Messwertverarbeitung, Steuer-
signalausgabe und Grenzwertüberwachung zusammen. Der Messaufnehmer PFS
01 besteht aus zwei Sensorelementen, einem Lasersensor zur optischen Partikel-
detektion mit einem der Partikelgröße proportionalen Spannungsausgangssignal,
sowie einem Volumenstromsensor mit einem 4 bis 20 mA
Stromausgangssignal,
der nach einem thermischen Verfahren arbeitet.
Abb. 12.45 Messaufnehmer PFS 01 (INTERNORMEN Technology)
Die Partikelzählung erfolgt im Nebenstrom (siehe Abb. 12.45). Von dem durch
den PFS 01 fließenden Ölstrom wird mittels Vorspannventil ein Teilvolumen-
strom über den Laserpartikelzählsensor und den Volumenstromsensor geleitet.
Der Lasersensor wird gemäß ISO 11171 mit Teststaub (ISO-MTD) kalibriert. Er
kann direkt in Leitungen für Volumenströme bis 50 l/min und bei Drücken
von 50
bar eingesetzt werden [12.26]. Die Auswertung der Partikelzahlen und
die Einteilung in Reinheitsklassen erfolgt nach einschlägigen Vorschriften (ISO
4406 bzw. NAS 1638) s. auch Kap.14.
Eine Auswahl unterschiedlicher Partikel kann z. B. mit
Metallpartikelsensoren
(Abb. 12.47) erfolgen. Das in Abb. 12.46 dargestellte induktive Messprinzip für
den Metallpartikelsensor MPM 01 erfasst metallische Partikel > 200 μm. Als
Ausgangssignal wird ein Einheitsimpuls unabhängig von der Größe des de-
tektierten Metallpartikels erzeugt. Die Einbringung des Sensors in den Hydraulik-
kreislauf ist für Volumenströme bis 50 l/min möglich. Die Zählung und Aus-
wertung der Impulse sowie eine Grenzwertüberwachung erfolgt in einem zu-
gehörigen Anzeigegerät bzw. mit anderen geeigneten Messgeräten.
a b c
Abb. 12.46 Induktive Messung der Metallpartikel. a Sensor ohne Partikel b Partikeleintritt
c Partikelaustritt
384 12 Messtechnik in der Hydraulik
Die Haupteinsatzgebiete derartiger Sensoren liegen in der Schadensfrüh-
erkennung von Großgetrieben und bei der Überwachung der Komponentensauber-
keit bei der Fertigung. Die dabei anfallenden Metallpartikel können so mess-
technisch erfasst werden.
a b
Abb. 12.47 Metallpartikelsensor. a MPS 01.2 b Messsignal (INTERNORMEN Techno-
logy)
12.2.3.2 Wassergehalt
Neben der Feststoffverschmutzung ist die Kontamination (Verschmutzung) mit
Wasser für Hydraulikkomponenten und Fluide eine der Hauptverschleißursachen.
Es ist daher durchaus sinnvoll die Verschmutzung durch Wasser inline zu über-
wachen. In Abb. 12.48 ist ein entsprechendes Inline - Wasserkontaminationsmess-
system dargestellt.
Abb. 12.48 Inline-Wasserkontaminationsmesssystem WSTM 01 (INTERNORMEN Tech-
nology)
12.2 Hydraulikmessgeräte 385
Im WSTM 01 ist ein Messwertaufnehmer integriert, der aus einem Feuchte-
sensorelement und einem Temperatursensor besteht. Der Feuchtesensor (Abb.
12.49) arbeitet auf der Basis einer Polymerfolie, die als kapazitiver Sensor
fungiert. Er misst die relative Feuchte in einem Fluid, nicht aber den absoluten
Wassergehalt (freies und emulgiertes Wasser), wie es mit der Karl - Fischer -
Titrationsmethode möglich ist. Die Bewertung der Messung erfolgt mit der in
Abb. 12.50 am Bsp. von HLP 46 dargestellten Kurve. Der experimentell be-
stimmbare Kurvenverlauf ergibt sich bei 100% Sättigung des Fluids mit Wasser.
a b
Abb. 12.49 Feuchtesensor. a Schematischer Aufbau b ausgeführter Sensor
In der Praxis ist es allerdings so, dass gebundenes Wasser weit weniger schädlich
als freies Wasser für das Hydrauliksystem ist und somit die Kenntnis des Sätti-
gungszustandes oftmals wichtiger als der absolute Kontaminationswert ist. Zudem
ist der Sättigungswert temperaturabhängig, so dass mit der Sättigungsmessung
unterschiedliche Gefährdungszustände für das Hydrauliksystem bei unterschied-
lichen Betriebszuständen erkannt werden können. Oberhalb eines Sättigungs-
zustandes von 70 % kann bereits von der Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins
geringer Anteile von freiem Wasser ausgegangen werden.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 1020304050607080
Temperatur [°C]
Wassergehalt [ppm]
Abb. 12.50 Wassersättigungskurve bei 100%-Sättigung für HLP 46
obere Elektrode
Polymer-Dünnfilm
untere Elektrode
Glassubstrat
386 12 Messtechnik in der Hydraulik
12.2.3.3 Kalibrierung
Eine Kalibrierung von Partikelzählern ist keine triviale Aufgabe, da nicht nur eine
Zählung der Partikel erfolgt, sondern diese größenbezogen in Klassen eingeteilt
erfasst werden müssen. Das ist nur machbar, wenn eine mit entsprechend sinn-
voller Größenverteilung von Partikeln vorliegende Flüssigkeit kontaminiert wird.
Seit geraumer Zeit wurde der Teststaub ACFTD (Air Cleaner Fine Test Dust)
zur Kalibrierung von automatischen Partikelzählern eingesetzt. Die Kalibrierung
basierte auf der alten ISO 4406. Da 1992 die Produktion des Teststaubes von der
Firma AC Rochester (USA) eingestellt wurde, mussten neue Normen geschaffen
werden. Mit der ISDO 12103-1 wurden vier Teststäube genormt, wobei einer für
die Kalibrierung der Partikelzählgeräte und für Multipass-Tests ausgewählt wurde.
In Folge der Änderung des Teststaubes wurden geänderte Kalibrierverfahren ein-
gesetzt. Mit der ISO 11171 wird nunmehr als Partikelgröße der Durchmesser eines
flächengleichen Kreises definiert. In der Praxis ist der Teststaub auch unter den
Namen „Arizonasand“ bekannt. Die Grundlage der Kalibrierung der in Reinheits-
klassenmessgeräten eingesetzten optischen Sensoren bildet die ISO 11171 Hyd-
raulik fluid power Calibration of automatic particle counters for liquids. In dieser
ISO-Norm werden unter anderem die Partikelgrößenkalibrierung und die Er-
mittlung anderer Sensorkenngrößen wie der Sensorauflösung und des Koinzidenz-
fehlers geregelt. Bei der primären Partikelgrößenkalibrierung werden NIST
Primärkalibrierlösungen verwendet. Diese Lösungen bestehen aus mit ISO MTD
(Medium Test Durst) RM8631nach ISO 12103.1 versetztem Hydrauliköl. Für
diese Kalibrierlösung (Abb. 12.51) ist die kommulative Größenverteilung der
enthaltenen Partikel im Bereich von 1…30 μm Partikeldurchmesser pro 1ml an-
gegeben und zertifiziert. Die Feinstaubkonzentration in der Kalibrierlösung be-
trägt 2,8mg/l.
Abb. 12.51 Kalibrierlösung (INTERNORMEN Technology)
Das Prinzip der Kalibrierung besteht darin die Kalibrierlösung mit dem Sensor
bei konstantem Volumenstrom auszuzählen und durch Einstellen der Schwell-
12.2 Hydraulikmessgeräte 387
werte an einem Mehrkanalzähler die im Zertifikat angegebene Partikelverteilung
als Zählergebnis nachzubilden. Die Kalibrierkurve (Schwellwerte (mV) in Ab-
hängigkeit von der Partikelgröße (μm)) des Sensors wird aus den ermittelten
Schwellwerten von 18 unterschiedlichen Partikelgrößen gebildet. Die Primär-
kalibrierung wird in der Regel mit einem automatischen Laborpartikelzählsystem
vorgenommen.
.
Abb. 12.52 Kalibrierprüfstand (INTERNORMEN Technology)
Der Prüfstand gemäß Abb. 12.52 dient zur Kalibrierung der in den Geräten
CCS4 und OCM01 verwendeten Sensoren. Die dabei realisierte Sekundär-
kalibrierung beruht auf einem Abgleich der zu kalibrierenden Sensoren mit einem
primär nach ISO11171-6 kalibrierten Mastersensor. Der Prüfstand selbst ist nach
den Vorgaben der ISO 11943 Hydraulic fluid power – Online automatic particle
countings for liquids – Methods of calibration and valdation konzipiert. Als Prüf-
teststaub wird ebenfalls der Feinstaub RM 8631 in einer Konzentration von
2,8mg/l verwendet. Der Mastersensor und der Prüfling sind bei der Sekundär-
kalibrierung in unmittelbarer Nähe zueinander in Reihe geschaltet. Der Prüfstand
ist so gestaltet, dass nach einer Einlaufphase von ca. 1h eine gleichmäßige
Partikelverteilung im Öl gewährleistet ist. Auf der Grundlage gleichzeitiger
Messungen bei konstantem Volumenstrom mit 8 Zählkanälen erfolgt ein auto-
matischer Abgleich des Prüflings auf die Zählergebnisse des Mastersensors. Der
Abgleich wird bis zu einer Abweichung der Partikelzahlen von Prüfling und
Master <= 1% für die bei der Reinheitsklassifizierung nach ISO 4409 verwendeten
Partikelgrößen > 4μm, < 6μm und > 14μm durchgeführt und ein Werkszertifikat