Partikelmesstechnik in der Praxis. Von der Theorie zur Anwendung.

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1 Partikelmesstechnik in der Praxis. Von der Theorie zur Anwendung.

2 Seite 3 1 Einführung in die optische Partikelzählung Seite Generelle Einbauempfehlungen Seite 3 Seite Physikalische Grundlagen Lichtabschattung Seite 20 Seite ConditioningModules 2.5 Laborgeräte Seite Siebblockadeverfahren Seite 4 Seite Verfahrensgrenzen 1.2 Teststaub Seite 21 3 Impressum Seite ACFTD / ISO MTD Seite Partikelgrößen Seite Kalibriernorm ISO 11171:1999 Seite 6 Seite Kalibriernorm ISO 11943: Verschmutzungsklassifizierung Seite ISO 4406 Seite SAE AS 4059 Seite NAS 1638 Seite 11 2 Das richtige Gerät für die Anwendung Seite 11 Seite 13 Seite 14 Seite 15 Seite 17 Seite 17 Seite 18 Seite 18 Seite Produktübersicht und Anwendungsfelder 2.2 Temporäre Messung und Service 2.3 Permanente Online Analyse an Prüfständen zur Bestimmung der technischen Sauberkeit 2.4 Permanente Online Messung in Hydraulik- und Schmiersystemen zur Zustandsüberwachung Typische Installationsbeispiele Filter-Kühler / Heizer-Kreislauf Druckkreislauf Leckölstromüberwachung Schmierölüberwachung 1

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4 1 Einführung in die Partikelzählung 1.1 Physikalische Grundlagen Das Empfangssignal sieht am Oszilloskop wie folgt aus: Abb. 3 Empfangssignal Lichtabschattung Bei den optischen Verschmutzungssensoren wird ein Lichtstrahl quer durch den Ölstrom gesendet. Auf der Empfängerseite wird das Licht durch Partikel abgeschattet. Abb. 1 Keine Abschattung des Lichtstrahls Signalumsetzung: Jeder Signalberg entspricht der Abschattung durch einen Partikel Die Signalamplitude (Signalhöhe) spiegelt die Partikelgröße wider Über Schwellwerte wird die Einteilung in 2, 5, 15, 25 μm bzw. 4, 6, 14, 21 μm (c) bestimmt Abb. 2 Abschattung des Lichtstrahls durch Partikel Das Prinzip der Partikelmessung mittels Lichtabschattung kommt bei den in Kapitel 2 vorgestellten Sensoren zum Einsatz. 3

5 1.1.2 Siebblockadeverfahren Der Fluidstrom wird über ein bzw. mehrere Siebe geleitet. Dabei werden die im Fluid befindlichen Partikel durch das Sieb zurückgehalten und erzeugen einen Druckunterschied (Δp) an Eintritt und Austritt der Siebspannstelle. Über das Ansteigen des Δp in Abhängigkeit der Zeit (t) werden Rückschlüsse auf die Partikelfracht gezogen. Abb. 4 MeshBlockage Sensor MBS Verfahrensgrenzen Zur Messung der partikulären Verschmutzung mit den in Kapitel 2 vorgestellten Sensoren darf die Ölreinheit bestimmte Grenzen nicht über- bzw. unterschreiten. Bei zu sauberem Öl können keine Partikel mehr erfasst werden. Die untere Verfahrensgrenze liegt bei etwa ISO 9/8/7. Bei zu starker Verschmutzung kommt es zu einer Koinzidenz (= zeitliches Zusammentreffen zweier oder mehrerer Signale, verursacht durch Aneinanderreihung von Partikeln) und eine Messung der Partikel ist nicht mehr möglich. Dieses Problem tritt bei Reinheitsklassen größer ISO 25/24/23 auf. Die Partikelzählung in Emulsionen ist mit dem optischen Verfahren nicht möglich. Das Prinzip der Lichtabschattung ist limitiert auf Partikel größer als 1 μm (c). Vorteile: Siebblockadeverfahren anwendbar bei Emulsionen Hohen Schmutzfrachten Lichtundurchlässigen Fluiden Nachteile: Nur Trendmonitoring möglich Keine Aussagen über Partikelanzahl möglich Keine Partikelverteilungsmessung möglich Keine Rückführung auf eine Kalibriernorm Bei Ölreinheiten kleiner als ISO 14/12/10 ist der direkte Vergleich einer Online-Messung mit einer Ölprobe nicht immer gegeben. Zusätzliche Fehlerquellen bei der Ölprobenentnahme: Umgebungsverschmutzung geänderte Strömungsbedingungen an der Probenentnahmestelle unterschiedliche Schmutzkonzentration zwischen den verschiedenen Entnahmestellen (Tank, Druckleitung, Umwälzkreis) Probenentnahmeprozedere (z.b. Sauberkeit des Entnahmeadapters, Spülvolumen, Maschinenzyklus) 4

6 1.2 Teststaub ACFTD / ISO MTD Bis 1992 war als Teststaub der ACFTD (Air Cleaner Fine Test Dust) gültig. Seit 1997 ist in der ISO A3 ein neuer Teststaub ISO MTD (ISO Medium Test Dust) vorgesehen. ISO MTD stellt die Basis für das vom NIST (National Institute of Standards and Technology, USA) entwickelte SRM 2806 (Standard Reference Material) dar Kalibriernorm ISO 11171:1999 Die Kalibriernorm ISO 11171:1999 behandelt die Kalibrierung von automatischen Partikelzählern für Flüssigkeiten. Mit Hilfe dieser Norm wird die Primärkalibrierung von Laborpartikelzählern durchgeführt. Zur Kalibrierung wird eine Suspension mit ISO MTD Verschmutzung verwendet. Die von HYDAC verwendeten Referenz-Partikelzähler sowie der Automated Laboratory Particle Counter ALPC werden anhand der ISO 11171:1999 kalibriert. Abb. 6 Automated Laboratory Particle Counter ALPC Der ISO MTD wird zur Kalibrierung von automatischen Partikelzählern im Rahmen der Kalibriernormen ISO 11171:1999 und ISO 11943:1999 verwendet Partikelgrößen Beim ACFTD Staub wird als Größe die längste Ausdehnung der Partikel herangezogen. Mit der Einführung der ISO 11171:1999 ist gleichzeitig eine Neudefinition der Partikelgrößen vorgesehen. Die Norm definiert den Durchmesser eines flächengleichen Partikels von ISO MTD als Partikelgröße. Partikelgrößenangaben nach der neuen Kalibriernorm ISO 11171:1999 erhalten als Kennzeichen für das bei der Kalibrierung benutzte, zertifizierte und auf einen nationalen Standard rückführbare Kalibriermaterial den Index (c), z.b. 4 μm (c). Diese Schreibweise wird auch im Rahmen der überarbeiteten ISO 4406:1999 und der neuen ISO 11943:1999 angewandt. Abb. 5 Partikelgrößendefinition 5

7 1.2.4 Kalibriernorm ISO 11943:1999 Abb. 7 FluidControl Unit FCU 2000 Die Kalibriernorm ISO 11943:1999 behandelt die Kalibrierung von automatischen Online- Partikelzählern für Flüssigkeiten. Mit Hilfe dieser Norm wird die Sekundärkalibrierung von Online- Partikelzählern durchgeführt. Abb. 8 ContaminationSensoren CS 1000 und CS 2000 Zur Kalibrierung wird die gleiche ISO MTD Verschmutzung wie bei ISO 11171:1999 verwendet. Die Norm ISO 11943:1999 schreibt vor, dass die Online- Partikelzähler in einen Hydraulikkreis mit den nach ISO 11171:1999 kalibrierten Referenz-Partikelzählern geschaltet werden. Abb. 9 Schema Kalibrierprüfstand 6

8 1.3 Verschmutzungsklassifizierung Eine kompakte Zusammenstellung der Informationen mit Vergleichsfotos können Sie der Fluidcontrolling Kontaminationsfibel (Mat. Nr ) entnehmen ISO 4406 Bei der ISO 4406 werden die Partikelanzahlen kumulativ, d. h. > 4 μm (c), > 6 μm (c) und > 14 μm (c) ermittelt (manuell durch Filtration der Flüssigkeit durch eine Analysenmembrane oder automatisch mit Partikelzählern) und Kennzahlen zugeordnet. Das Ziel dieser Zuordnung von Partikelanzahlen zu Kennzahlen ist die Vereinfachung der Beurteilung von Flüssigkeitsreinheiten. Im Jahr 1999 wurde die alte ISO 4406:1987 überarbeitet und die Größenbereiche der auszuwertenden Partikelgrößen neu definiert. Des Weiteren wurden das Auszählverfahren und die Kalibrierung geändert. Wichtig für den Anwender in der Praxis ist folgendes: Auch wenn sich die Größenbereiche der auszuwertenden Partikel geändert haben, wird der Reinheitscode sich nur in Einzelfällen ändern. Beim Erstellen der neuen ISO 4406 wurde darauf geachtet, dass nicht alle bestehenden Reinheitsvorschriften für Systeme geändert werden müssen (Lit. HYDAC, Filter-Fluidtechnik, neuer Teststaub, neue Kalibrierung, neue Filtertestmethoden Auswirkungen in der Praxis ). Kurzübersicht über die Änderungen: Größenbereiche Ermittelte Dimension Teststäube Vergleichbare Größenbereiche alte ISO 4406:1987 > 5 μm > 15 μm längste Ausdehnung des Partikels ACFTD-Staub Alte ACFTD- Kalibrierung neue ISO 4406:1999 > 4 μm (c) > 6 μm (c) > 14 μm (c) 1-10 μm Ultrafinefraktion SAE Fine, AC-Fine SAE 5-80 μm ISO MTD Kalibrierstaub für Partikelzähler SAE Coarse Grobfraktion Vergleichbare ACFTD < 1 μm 4,3 μm 15,5 μm Durchmesser des flächengleichen Kreises ISO 11171:1999 ISO A1 ISO A2 ISO A3 ISO A4 Neue NIST- Kalibrierung 4 μm (c) 6 μm (c) 14 μm (c) 7

9 Zuordnung der Partikelanzahlen zu den Reinheitsklassen: Anzahl Partikel pro ml Reinheitsklasse Mehr als Bis > , ,3 2, SAE AS 4059 Wie die ISO 4406 beschreibt die SAE AS 4059 Partikelkonzentrationen in Flüssigkeiten. Die Analysenverfahren können analog zur ISO 4406:1999 und NAS 1638 verwendet werden. Die SAE-Reinheitsklassen basieren auf der Partikelgröße, der Anzahl und der Partikelgrößenverteilung. Da die ermittelte Partikelgröße von dem Messverfahren und der Kalibrierung abhängt, werden die Partikelgrößen mit Buchstaben (A - F) gekennzeichnet. Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse unter der Reinheitsklasse 8 hängt von der Konzentration der Partikel in der ausgewerteten Probe ab. Ist die Anzahl der in der Probe ausgezählten Partikel kleiner als 20, muss das Ergebnis mit gekennzeichnet werden. Beispiel: 14/12/ 8 Zu beachten ist, dass sich bei Erhöhung der Kennzahl um 1 die Partikelanzahl verdoppelt. Beispiel: ISO Klasse 18/15/11 besagt: Partikel > 4 μm (c) Partikel > 6 μm (c) Partikel > 14 μm (c) befinden sich in einem ml der analysierten Probe. Abb. 10 Mikroskopische Betrachtung einer Ölprobe (100 ml), Vergrößerung 100-fach (ISO 18/15/11) 8

10 In der nachfolgenden Tabelle sind die Reinheitsklassen in Abhängigkeit von der ermittelten Partikelkonzentration dargestellt. Maximale Partikelkonzentration [Partikel/100 ml] Größe ISO 4402 Kalibrierung oder opt. Zählung* > 1 μm > 5 μm > 15 μm > 25 μm > 50 μm > 100 μm Größe ISO 11171, > 4 μm (c) > 6 μm (c) > 14 μm (c) > 21 μm (c) > 38 μm (c) > 70 μm (c) Kalibrierung oder Elektronenmikroskop** Größenkodierung A B C D E F Klassen * Partikelgrößen ermittelt nach der längsten Ausdehnung ** Partikelgrößen ermittelt nach dem Durchmesser des projektierten flächengleichen Kreises Die Reinheitsklassen nach SAE können wie folgt dargestellt werden: 1. Absolute Partikelanzahl größer einer definierten Partikelgröße Beispiel: Reinheitsklasse nach AS 4059:6 Die maximal zulässige Partikelanzahl in den einzelnen Größenbereichen ist in der Tabelle in Fettdruck dargestellt. Reinheitsklasse nach AS 4059:6 B Die Partikel der Größe B dürfen die maximale Anzahl wie in Klasse 6 beschrieben nicht überschreiten. 2. Festlegung einer Reinheitsklasse für jede Partikelgröße Beispiel: Reinheitsklasse nach AS 4059: 7 B / 6 C / 5 D Größe B (5 μm oder 6 μm (c) ): Partikel / 100 ml Größe C (15 μm oder 14 μm (c) ): Partikel / 100 ml Größe D (25 μm oder 21 μm (c) ): 306 Partikel / 100 ml 3. Angabe der höchsten gemessenen Reinheitsklasse Beispiel: Reinheitsklasse nach AS 4059:6 B - F Die Angabe 6 B - F erfordert eine Partikelzählung in den Größenbereichen B - F. In allen diesen Bereichen darf die jeweilige Partikelkonzentration der Reinheitsklasse 6 nicht überschritten werden. 6 B = max Partikel der Größe 5 μm oder 6 μm (c) 9

11 1.3.3 NAS 1638 Wie die ISO 4406 und SAE AS 4059 beschreibt die NAS 1638 Partikelkonzentrationen in Flüssigkeiten. Dieser Standard ist zwar als Norm nicht mehr gültig, wird aber in der Praxis wegen der einfachen Handhabung (nur eine Kennzahl) gerne benutzt. Die Analysenverfahren können analog zur ISO 4406:1999 verwendet werden. Im Gegensatz zur ISO 4406 werden bei der NAS 1638 bestimmte Partikelgrößenbereiche ausgezählt und diesen Kennzahlen zugeordnet. In der nachfolgenden Tabelle sind die Reinheitsklassen in Abhängigkeit von der ermittelten Partikelkonzentration dargestellt. Reinheitsklasse Partikelgröße [μm] >100 Partikelanzahl in 100 ml Probe Bei der Erhöhung der Klasse um 1 wird die Partikelanzahl im Mittel verdoppelt. Die maximalen Partikelanzahlen der Klasse 10 finden Sie im Fettdruck in der obigen Tabelle. Abb. 11 Mikroskopische Betrachtung einer Ölprobe (100 ml), Vergrößerung 100-fach (NAS 10) 10

12 2 Das richtige Gerät für die Anwendung 2.1 Produktübersicht und Anwendungsfelder Abb. 12 Produktübersicht Für die temporäre Messung und den Service werden FluidControl Units (FCU) angeboten. Für den stationären Einsatz in Hydraulik- / Schmieranlagen und an Prüfständen sind die ContaminationSensoren (CS) vorgesehen. Diese Sensoren stehen auch als Aggregate mit Motor-Pumpen-Gruppe, patentierter Luftunterdrückung und optionaler Einbaumöglichkeit für AquaSensor AS 1000 und HYDACLab zur Verfügung. Zur Untersuchung von Ölproben wird die BottleSampling Unit (BSU) in Verbindung mit der FCU 8000 verwendet. Vereinfachte Ölprobenanalyse kann auch mit der FCU 2000 und FCU 1000 durchgeführt werden. Der Automated Laboratory Particle Counter ALPC dient der Untersuchung von bis zu 500 Proben am Tag. Folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Unterschiede der einzelnen Messgeräte: 11

13 Abb. 13 Typische Anwendungsfelder mit passenden Produkten (und Modulen) Die Anwendungsfelder werden im Folgenden unterteilt in Temporäre Messung und Service Permanente Online Analyse an Prüfständen zur Bestimmung der technischen Sauberkeit Permanente Online Messung in Hydraulik- und Schmiersystemen zur Zustandsüberwachung Laborgeräte 12

14 2.2 Temporäre Messung und Service Für die temporäre Messung an Hydrauliksystemen stehen tragbare Servicegeräte, die FluidControl Units (FCU), insbesondere der Serie 2000, zur Verfügung. Die FCU wird in verschiedenen Kalibrierungen und Ausführungen angeboten. Allen Varianten ist ein Display mit Bedientastatur, ein Drehknopf zur Anpassung des Volumenstroms und ein eingebauter, kleiner Nadeldrucker gemeinsam. Des Weiteren werden Varianten ohne oder mit interner Pumpe zum selbstständigen Ansaugen des Fluids aus Ölproben bzw. dem Tank angeboten. Die FluidControl Units zeichnen sich durch einfache Bedienung aus, womit Messergebnisse sicher gewährleistet werden. Einen Vergleich der verschiedenen Varianten zeigt folgende Tabelle: Zum Einsatz der FCU sind technische Gegebenheiten zu beachten, die in folgender Tabelle aufgelistet sind: 13

15 2.3 Permanente Online Analyse an Prüfständen zur Bestimmung der technischen Sauberkeit Die Verwendung von Online Partikelzählern zur Überprüfung der Sauberkeit der zu prüfenden Komponente ist in der Norm ISO näher beschrieben. Dabei wird das Prüföl nach der zu prüfenden Komponente analysiert. Prüfstände zeichnen sich durch mehrere Faktoren aus, die die permanente Online Analyse erschweren: kurze Messzyklen wechselnde Volumenströme Luftblasen Ölvermischungen Fette Montagehilfsstoffe Zur Gewährleistung stabiler Messbedingungen und damit zur permanenten Online Analyse stehen stationäre Aggregate, die ContaminationSensor Module (CSM), zur Verfügung. Die angebotenen CSM 2000 und CSM 1000 unterscheiden sich in der Auswahl des verwendeten Sensors. Das CSM ist ein eigenständiges Gerät mit Motor-Pumpen-Gruppe und ContaminationSensor. Hiermit kann aus Leitungen und drucklosen Behältern das Fluid angesaugt und zur Messung über den Sensor geleitet werden. Des Weiteren besitzt das Modul eine patentierte Luftunterdrückung. Hierbei wird Luft im Öl durch Beaufschlagung mit Druck in Lösung gebracht und somit nicht als Partikel im optisch funktionierenden ContaminationSensor gezählt. Optional kann ein Feuchtesensor, der AS 1000, oder ein Ölzustandssensor, das HYDACLab, in den Ölstrom integriert werden. Das HYDACLab ist ein Multisensor, der Temperatur Feuchte Viskositätsänderungen Dielektrizitätsänderungen erfasst. Abb. 14 CSM 1000 Abb. 16 CSM 1000 am Prüfstand Abb. 15 CSM 2000 Zum einfachen Einbau in den Prüfstand wird mit dem CSM Öl in der Nähe der Rücklaufleitung angesaugt und über den Partikelzähler geführt. Für Standard Hydraulikanwendungen wird das CSM 1000 eingesetzt. Für schwer auszählbare Flüssigkeiten (Getriebeöle, bei Ölvermischungen, bei aufkonzentrierten Fetten und Montagehilfsstoffen) wird das CSM 2000 mit zusätzlichem Durchflussmesser CM-FS angeboten. Zum Einsatz der CSM sind technische Gegebenheiten zu beachten, die in folgender Tabelle aufgelistet sind: Das CSM beinhaltet ein Schutzsieb von 400 μm (CM-S). 14

16 2.4 Permanente Online Messung in Hydraulik- und Schmiersystemen zur Zustandsüberwachung Zur permanenten Online Messung in Hydraulik- und Schmiersystemen stehen Geräte, die ContaminationSensoren (CS) der Serien 2000 und 1000, zur Verfügung, die stationär in das System integriert werden. Dazu ist der Volumenstrom durch das Messgerät in den jeweiligen Messbereich einzustellen. Hydraulisch arbeiten die ContaminationSensoren als Blende. 15

17 Im Unterschied zum Servicegerät, der FCU, wird bei den stationär eingebauten ContaminationSensoren der Volumenstrom nicht manuell nachgeregelt. Der begrenzte Durchflussbereich korreliert mit einem eingeschränkten Arbeitsbereich bezüglich Druck und Viskosität. Die folgende Grafik zeigt den hydraulisch unterschiedlichen Arbeitsbereich zwischen FCU und CS Abb. 17 Arbeitsbereiche CS 1000 und FCU 2000 Zur Regelung des Volumenstroms im zulässigen Bereich werden verschiedene ConditioningModules (CM) angeboten. Mittels der ConditioningModules kann der Arbeitsbereich des CS 1000 und CS 2000 an die hydraulischen Bedingungen angepasst werden. Im Rahmen der typischen Installationsbeispiele werden diese vorgestellt. 16

18 2.4.1 Typische Installationsbeispiele Filter-Kühler / Heizer-Kreislauf Bei einem Hydraulikkreis mit Filter und Kühler / Heizer kann der CS in den Bypass eingebunden werden. Branchen / Applikationen: Kunststoffspritzmaschinen (OEM und MRO) Automotive / Hydraulische Pressen (OEM und MRO) Stahl / Papier / Energieerzeugung 17

19 Druckkreislauf Die Einbindung erfolgt mittels druckkompensiertem Stromregelventil für Mitteldruckanwendungen sowie bei guten Ölreinheiten. Bei Hochdruckanwendungen empfiehlt sich der Einsatz eines Filters zum Schutz des Stromregelventils. Branchen / Applikationen: Kunststoffspritzmaschinen (OEM) Mobil / Landwirtschaftsmaschinen, Forstmaschinen, Stapler und Hubwagen, Fördermaschinen, Grubenmaschinen, Baumaschinen (OEM) Leckölstromüberwachung Bei Hydraulikkreisen, in denen große und teure Pumpen eingesetzt werden, ist es wichtig, den Verschleiß dieser Pumpen zu messen. Die optimale Stelle zur Verschmutzungsmessung bietet sich in der Leckölleitung, da sich hier die Partikel am schnellsten aufkonzentrieren. Branchen / Applikationen: Großanlagen (OEM und MRO) Schmierölüberwachung Zur Schmierölüberwachung steht das ContaminationSensor Module CSM zur Verfügung. Die Pumpe sorgt für den erforderlichen Volumenstrom durch den Sensor. Das CSM verfügt über eine patentierte Luftunterdrückung. Eine hydraulische Vorspannung des Druckes im Sensor von 25 bar bei Schmieröl wird empfohlen. Branchen / Applikationen: Windindustrie / Getriebe auf Windkraftanlagen Stahl / Papier / Energieerzeugung 18

20 2.4.2 Generelle Einbauempfehlungen Zur Reduzierung von Störgrößen sollte auf bestimmte Kriterien beim Einbau der Sensoren geachtet werden. 19

21 ConditioningModules Informationen zu den ConditioningModules entnehmen Sie bitte der Broschüre ConditioningModules CM im Überblick (Doc.: ; bei Bestellung bitte gewünschte Sprache deutsch, englisch oder französisch angeben). 2.5 Laborgeräte Zur Probenanalyse im Labor können die speziell zu diesem Zweck entwickelten Geräte BottleSampling Unit BSU und der Automated Laboratory Particle Counter ALPC sowie die FCU 2000 verwendet werden. Folgende Übersicht zeigt die wichtigsten Merkmale dieser Geräte: 20

22 3 Impressum 1. Auflage, Januar 2007 HYDAC Filtertechnik GmbH Servicetechnik / Filtersysteme Industriegebiet Sulzbach / Saar Deutschland Tel.: +49 (0) 6897/ Fax: +49 (0) 6897/ Internet: filtersysteme@hydac.com 21