Absolutdrucksensor mit Relativdruckreferenz kalibrieren: Barometer richtig einbeziehen

→ Produktkategorie: Kalibriertechnik

 

Ein Absolutdrucksensor soll bei 6 bar absolut geprüft werden. Zur Verfügung steht jedoch nur eine hochgenaue Relativdruckreferenz. Kann diese trotzdem für die Kalibrierung verwendet werden?

Grundsätzlich ja – wenn zusätzlich der aktuelle atmosphärische Druck zuverlässig gemessen und korrekt berücksichtigt wird. Denn Absolutdruck und Relativdruck unterscheiden sich genau um den Umgebungsdruck:

pabs = prel + patm

Zeigt die Relativdruckreferenz beispielsweise:

5,0000 bar

und beträgt der gleichzeitig gemessene Luftdruck:

0,9872 bar absolut

dann liegt am Prüfling ein Absolutdruck von:

5,9872 bar absolut

an.

Die Rechnung ist einfach. Für eine belastbare Kalibrierung müssen jedoch deutlich mehr Faktoren berücksichtigt werden. Besonders wichtig sind die Genauigkeit und Rückführbarkeit des Barometers, die Gleichzeitigkeit beider Messungen, Höhenunterschiede zwischen Barometer und Prüfling, Druckstabilität, Temperatur sowie die Frage, ob mit einem direkt gemessenen oder lediglich aus zwei Messgrößen berechneten Absolutdruck gearbeitet wird.

Wer einen Absolutdrucksensor mit einer Relativdruckreferenz kalibriert, verwendet nicht nur eine Referenz, sondern eine Messkette aus Relativdruckmessung und barometrischer Druckmessung. Die Unsicherheiten beider Größen wirken sich auf den resultierenden Absolutdruck aus.

Für solche Aufgaben bietet ICS Schneider unterschiedliche Lösungen aus der Kalibriertechnik. Der Druck DPI610E verfügt in den pneumatischen Ausführungen über ein integriertes Barometer und kann Relativdruckmessungen in sogenannte Pseudo-Absolutdruckmessungen umrechnen. Für Labor- und Prüfstandsanwendungen bietet sich unter anderem der PACE5000E Hochpräzisions-Druckregler mit barometrischer Option an.

Absolutdruck und Relativdruck richtig unterscheiden

Der wichtigste Punkt bei dieser Kalibrieraufgabe ist die Druckreferenz.

Absolutdruck

bezieht sich auf das ideale Vakuum:

0 bar absolut = vollständiges Vakuum

Der normale atmosphärische Luftdruck liegt deshalb ungefähr bei:

1 bar absolut

Relativdruck

bezieht sich dagegen auf den aktuellen atmosphärischen Druck.

Ein Relativdruckmessgerät zeigt bei offenem Druckanschluss zur Umgebung:

0 bar relativ

an.

Der tatsächliche Absolutdruck beträgt gleichzeitig jedoch ungefähr:

1 bar absolut

Damit können gleichzeitig gelten

0 bar relativ ≈ 1 bar absolut

Die genaue Differenz ist der aktuelle lokale atmosphärische Druck.

Warum p_abs = p_rel + p_atm gilt

Relativdruck beschreibt die Differenz zwischen Prozessdruck und atmosphärischem Druck:

prel = pabs − patm

Nach dem Absolutdruck umgestellt ergibt sich:

pabs = prel + patm

Dabei ist:

• pabs = Absolutdruck am Prüfling,
• prel = von der Relativdruckreferenz gemessener Druck,
• patm = aktueller atmosphärischer Absolutdruck.

Entscheidend ist

dass der atmosphärische Druck tatsächlich gemessen wird.

Er darf nicht einfach mit einem festen Standardwert angenommen werden.

Messaufbau für die Kalibrierung

Ein typischer Aufbau besteht aus:

• Druckerzeugung beziehungsweise Druckregler,
• Relativdruckreferenz,
• Absolutdrucksensor als Prüfling,
• Barometer beziehungsweise barometrischer Absolutdruckreferenz,
• gemeinsamem Druckvolumen beziehungsweise Verteiler,
• gegebenenfalls elektrischer Versorgung und Signalmessung des Prüflings.

Relativdruckreferenz und Prüfling

werden an denselben Prüfdruck angeschlossen.

Das Barometer wird nicht mit diesem Druck beaufschlagt.

Es misst unabhängig davon den aktuellen atmosphärischen Absolutdruck.

Aus beiden Referenzwerten wird anschließend berechnet

Absolutdruck am Prüfling = Relativdruckreferenz + atmosphärischer Druck

Dieser Wert wird mit der Anzeige beziehungsweise dem Ausgangssignal des Absolutdrucksensors verglichen.

Berechnungsbeispiel für einen Absolutdrucksensor

Ein Absolutdrucktransmitter mit einem Messbereich von:

0 … 10 bar absolut

soll geprüft werden.

Die Relativdruckreferenz zeigt:

4,5000 bar relativ

Das Barometer zeigt gleichzeitig:

986,4 mbar absolut

beziehungsweise:

0,9864 bar absolut

Berechnung

pabs = 4,5000 bar + 0,9864 bar

pabs = 5,4864 bar absolut

Der Referenzwert für den Absolutdrucksensor beträgt deshalb

5,4864 bar absolut

und nicht:

4,5000 bar

und auch nicht:

5,51325 bar

unter Verwendung eines pauschalen Standardatmosphärendrucks.

Gewünschten Absolutdruck in Relativdruck umrechnen

In der Praxis wird häufig umgekehrt gearbeitet.

Es soll beispielsweise ein Prüfpunkt von:

6,0000 bar absolut

erzeugt werden.

Das Barometer misst aktuell:

0,9825 bar absolut

Dann muss die Relativdruckreferenz folgenden Wert erreichen:

prel = pabs − patm

also:

prel = 6,0000 − 0,9825 bar

prel = 5,0175 bar

Die Relativdruckreferenz muss deshalb

5,0175 bar relativ

anzeigen, damit der Absolutdruck am Prüfling:

6,0000 bar absolut

beträgt.

Warum 1,01325 bar nicht einfach eingesetzt werden dürfen

Der Wert:

1013,25 hPa

beziehungsweise:

1,01325 bar

beschreibt den definierten Standardatmosphärendruck.

Er ist jedoch nicht automatisch der aktuelle atmosphärische Druck am Kalibrierplatz.

Der reale Luftdruck hängt unter anderem ab von

• Wetterlage,
• Höhenlage,
• lokalen atmosphärischen Bedingungen.

An einem Kalibrierplatz können beispielsweise:

0,970 bar absolut

oder:

1,020 bar absolut

herrschen.

Würde stattdessen pauschal:

1,01325 bar

eingesetzt, würde dieser Fehler vollständig in den berechneten Absolutdruck übernommen.

Auch Wetterdaten sind nicht automatisch geeignet

Viele öffentlich angegebene Luftdruckwerte werden auf Meereshöhe reduziert.

Für die Kalibrierung wird dagegen der tatsächliche atmosphärische Absolutdruck am Messort benötigt.

Für eine Barometerkorrektur sollte deshalb ein geeignetes kalibriertes Barometer am Kalibrierplatz verwendet werden und nicht der Luftdruck einer Wetter-App.

Anforderungen an das Barometer

Bei einer solchen Kalibrierung wird das Barometer zu einem Bestandteil der Referenzmesskette.

Seine Qualität muss deshalb zur geforderten Messunsicherheit passen.

Relevant sind insbesondere

• Messbereich,
• Messunsicherheit beziehungsweise Genauigkeit,
• Langzeitstabilität,
• Temperaturabhängigkeit,
• Kalibrierstatus,
• Auflösung,
• Messrate.

Ein typischer Fehler

besteht darin, eine sehr hochwertige Relativdruckreferenz mit einem deutlich schlechteren Barometer zu kombinieren.

Beispielsweise:

Relativdruckreferenz: Unsicherheit 0,05 mbar

Barometer: Unsicherheit 1,0 mbar

Dann bestimmt im niedrigen Druckbereich praktisch das Barometer die erreichbare Qualität der Absolutdruckreferenz.

Warum Barometer und Relativdruck gleichzeitig erfasst werden sollten

Der atmosphärische Druck ist nicht konstant.

Er kann sich während einer Kalibrierung verändern.

Deshalb sollte der Barometerwert nicht beispielsweise:

morgens einmal gemessen

und anschließend für eine mehrstündige Kalibrierung unverändert verwendet werden.

Besser ist

den atmosphärischen Druck:

• für jeden Kalibrierpunkt,
• in kurzen definierten Zeitintervallen oder
• kontinuierlich

zu erfassen.

Bei automatisierten Kalibriersystemen kann die Barometerkorrektur direkt mit jedem Messwert verknüpft werden.

Die zeitliche Zuordnung muss eindeutig sein

Idealerweise gehören zusammen:

Relativdruckwert

Barometerwert

Prüflingswert

Zeitpunkt

Damit kann später nachvollzogen werden, welcher atmosphärische Druck bei welchem Prüfpunkt berücksichtigt wurde.

Höhenunterschied zwischen Barometer und Prüfling

Auch innerhalb eines Kalibrierlabors ist der atmosphärische Druck nicht an jeder Höhe exakt gleich.

Die Druckänderung mit der Höhe kann für kleine Höhenunterschiede näherungsweise beschrieben werden durch:

Δp ≈ ρLuft × g × Δh

mit:

• ρLuft = Luftdichte,
• g = Erdbeschleunigung,
• Δh = Höhenunterschied.

Bei einer Luftdichte von ungefähr 1,2 kg/m³

ergibt sich näherungsweise:

Δp ≈ 12 Pa pro Meter

beziehungsweise:

≈ 0,12 mbar pro Meter

Das klingt zunächst wenig

kann bei hochwertigen Niederdruck- oder Absolutdruckkalibrierungen aber bereits relevant sein.

Steht das Barometer beispielsweise:

2 m

oberhalb des Prüflings, kann der lokale atmosphärische Druckunterschied näherungsweise:

0,24 mbar

betragen.

Ob dieser Beitrag korrigiert beziehungsweise als Unsicherheitsanteil berücksichtigt werden muss, hängt von der geforderten Gesamtmessunsicherheit ab.

Druckanschlüsse auf eine gemeinsame Bezugshöhe korrigieren

Nicht nur das Barometer besitzt eine Höhenlage.

Auch zwischen:

• Referenzdrucksensor,
• Druckverteiler,
• Prüfling

können Höhenunterschiede bestehen.

Der hydrostatische Druckunterschied kann allgemein beschrieben werden durch:

Δp = ρ × g × Δh

Bei Gasen

ist dieser Effekt aufgrund der geringen Dichte vergleichsweise klein.

Bei Flüssigkeiten

kann er dagegen erheblich sein.

Bei hydraulischen Kalibrierungen können bereits wenige Zentimeter Höhendifferenz bei hohen Genauigkeitsanforderungen relevant werden.

Deshalb sollte für präzise Kalibrierungen eine Referenzebene definiert werden

beispielsweise:

Höhe des Druckanschlusses des Prüflings

Alle Referenzwerte können anschließend auf diese Ebene bezogen werden.

Druckstabilität und Wartezeit

Die mathematisch korrekte Barometerkorrektur hilft wenig, wenn der eigentliche Prüfdruck noch nicht stabil ist.

Nach einer Druckänderung können sich:

• Gasvolumen,
• Leitungen,
• Sensoren,
• Dichtungen,
• Temperaturen

zunächst stabilisieren müssen.

Bei pneumatischen Systemen

kann eine schnelle Kompression das Gas erwärmen.

Nach dem Einstellen des Drucks kühlt das Gas anschließend wieder ab und der Druck verändert sich.

Deshalb sollte ein Messpunkt erst bewertet werden

wenn:

Referenzdruck stabil

Prüflingsanzeige stabil

Temperatur ausreichend stabil

sind.

Eine feste Wartezeit kann sinnvoll sein, noch besser ist jedoch ein definiertes Stabilitätskriterium.

Temperatureinfluss berücksichtigen

Sowohl die Relativdruckreferenz als auch das Barometer und der Prüfling können temperaturabhängige Messabweichungen besitzen.

Bei der Bewertung sollten daher mindestens berücksichtigt werden

• Umgebungstemperatur,
• Temperaturbereich der Referenzspezifikation,
• Temperaturkompensation des Prüflings,
• Aufwärmzeit der Geräte.

Wird beispielsweise ein Gerät unmittelbar aus einem kalten Fahrzeug in ein warmes Labor gebracht, kann die elektrische Anzeige bereits funktionieren, obwohl das gesamte Messsystem thermisch noch nicht stabilisiert ist.

Eine hohe Auflösung auf dem Display bedeutet nicht automatisch, dass der Messwert bereits stabil oder ausreichend genau ist.

Warum Umgebungsdruck nicht der Nullpunkt eines Absolutdrucksensors ist

Dieser Punkt führt in der Praxis besonders häufig zu Missverständnissen.

Ein Relativdrucksensor zeigt bei offenem Anschluss

0 bar

.

Ein Absolutdrucksensor zeigt bei offenem Anschluss dagegen ungefähr

1 bar absolut

.

Das ist kein Nullpunktfehler.

Der tatsächliche Nullpunkt eines Absolutdrucksensors liegt bei:

0 bar absolut

also beim idealen Vakuum.

Öffnet man den Prüfling zur Atmosphäre

kann deshalb lediglich ein Kalibrierpunkt in der Nähe des aktuellen atmosphärischen Drucks geprüft werden.

Beispielsweise:

Barometer = 984,8 mbar absolut

Dann sollte ein idealer Absolutdrucksensor ebenfalls:

984,8 mbar absolut

anzeigen.

Kalibrierpunkte unterhalb des atmosphärischen Drucks

Ein Absolutdrucksensor mit beispielsweise:

0 … 2 bar absolut

soll häufig auch unterhalb von:

1 bar absolut

geprüft werden.

Dafür ist Vakuumerzeugung erforderlich.

Beispiel

Gewünschter Absolutdruck:

0,500 bar absolut

Atmosphärischer Druck:

0,985 bar absolut

Erforderlicher Relativdruck:

prel = 0,500 − 0,985 bar

prel = −0,485 bar

Die Relativdruckreferenz muss daher einen negativen Relativdruck beziehungsweise Unterdruck messen können.

Für beispielsweise 100 mbar absolut

bei:

985 mbar atmosphärischem Druck

wäre erforderlich:

prel = 100 − 985 mbar

prel = −885 mbar

Je näher der gewünschte Absolutdruck an null liegt

desto höher werden die Anforderungen an:

• Vakuumerzeugung,
• Dichtheit,
• negative Relativdruckmessung,
• Barometerreferenz.

Für sehr niedrige Absolutdrücke ist eine direkte Absolutdruck- beziehungsweise Vakuumreferenz häufig die technisch bessere Lösung.

Was bedeutet Pseudo-Absolutdruck?

Bei modernen Druckkalibratoren wird die Kombination aus einer Relativdruckmessung und einem Barometer teilweise automatisch durchgeführt.

Druck bezeichnet eine solche abgeleitete Messart beispielsweise als:

Pseudo-Absolute Pressure

beziehungsweise:

Pseudo-Abs

Das Prinzip lautet weiterhin

Relativdrucksensor + Barometer = berechneter Absolutdruck

Der Anwender sieht jedoch direkt einen Absolutdruckwert und muss die Addition nicht manuell durchführen.

Umgekehrt ist ebenfalls eine Umrechnung möglich

Bei einem Absolutdrucksensor kann durch Subtraktion des atmosphärischen Drucks ein Pseudo-Relativdruck erzeugt werden:

prel = pabs − patm

Wichtig ist die begriffliche Unterscheidung

Ein Pseudo-Absolutdruck ist ein aus:

Relativdruck + Barometerdruck

berechneter Wert.

Ein echter Absolutdrucksensor misst dagegen direkt bezogen auf eine interne Vakuumreferenz.

Beide können für eine Kalibrierung geeignet sein – ihre Messunsicherheitsmodelle sind jedoch unterschiedlich.

Messunsicherheit der Barometerkorrektur

Bei einer präzisen Kalibrierung reicht die Berechnung des Referenzwerts allein nicht aus.

Auch seine Messunsicherheit muss bewertet werden.

Für den abgeleiteten Absolutdruck:

pabs = prel + patm

kann eine vereinfachte kombinierte Standardunsicherheit beispielsweise beschrieben werden als:

u(pabs) = √[u²(prel) + u²(patm) + u²(pstab) + u²(phöhe) + ...]

Typische Unsicherheitsbeiträge sind

• Kalibrierunsicherheit der Relativdruckreferenz,
• Langzeitstabilität der Relativdruckreferenz,
• Auflösung der Referenz,
• Temperaturabhängigkeit der Referenz,
• Kalibrierunsicherheit des Barometers,
• Stabilität des Barometers,
• Höhenkorrektur,
• Druckstabilität während der Messung,
• Auflösung und Wiederholbarkeit des Prüflings.

Welche Beiträge tatsächlich erforderlich sind, hängt vom verwendeten Kalibrierverfahren und der angestrebten Messunsicherheit ab.

Warum die Barometerunsicherheit direkt eingeht

Die Empfindlichkeit des Absolutdrucks gegenüber dem Barometerwert beträgt:

∂pabs / ∂patm = 1

Das bedeutet:

Ein Fehler des Barometers von:

+0,5 mbar

verursacht im berechneten Absolutdruck ebenfalls einen Fehler von:

+0,5 mbar

Dieser Effekt wird bei hohen Drücken relativ kleiner

Bei einem Prüfpunkt von:

100 bar absolut

sind beispielsweise einige Zehntel mbar relativ betrachtet sehr klein.

Bei niedrigen Absolutdruckbereichen

kann derselbe Beitrag jedoch einen erheblichen Teil der Gesamtmessunsicherheit ausmachen.

Deshalb sollte die Methode:

Relativdruckreferenz + Barometer

immer gegen die geforderte Unsicherheit des konkreten Prüflings bewertet werden.

Einfluss von Wetter und Luftdruckänderungen

Der atmosphärische Druck kann sich während eines Tages deutlich verändern.

Für eine Relativdruckmessung ist dies normalerweise kein Problem, weil sich die Messung unmittelbar auf die lokale Atmosphäre bezieht.

Bei der Umrechnung in Absolutdruck

wird der atmosphärische Druck jedoch zu einer expliziten Messgröße.

Angenommen, eine Kalibrierung beginnt bei:

patm = 1002,0 mbar

und einige Stunden später beträgt der Luftdruck:

999,5 mbar

Wenn der ursprüngliche Barometerwert weiterhin verwendet würde, entstünde eine Differenz von:

2,5 mbar

im berechneten Absolutdruck.

Deshalb gilt

Je höher die Genauigkeitsanforderung und je länger die Kalibrierung dauert, desto wichtiger ist eine zeitnahe beziehungsweise kontinuierliche barometrische Messung.

Typische Fehler bei der Kalibrierung

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Absolutdrucksensor zeigt bei offenem Anschluss etwa 1 bar	normales Verhalten eines Absolutdrucksensors	mit aktuellem Barometerwert vergleichen
Kalibrierwert liegt ungefähr 1 bar daneben	Relativ- und Absolutdruck verwechselt	Druckart aller Geräte prüfen
Konstanter Offset über alle Prüfpunkte	falscher Barometerwert möglich	Barometer und verwendete Korrektur prüfen
Ergebnis stimmt nur an einem Tag	fester Atmosphärendruck verwendet	aktuellen lokalen Luftdruck erfassen
Wetter-App und Laborbarometer unterscheiden sich deutlich	Wetterwert möglicherweise auf Meereshöhe reduziert	lokalen Stationsdruck verwenden
Messwerte driften nach Druckerhöhung	thermische Stabilisierung des Gases	ausreichende Stabilisierungszeit vorsehen
Abweichung hängt von der Höhe des Prüfaufbaus ab	hydrostatische Höhenkorrektur fehlt	Referenzebenen und Höhendifferenz prüfen
Unsicherheit wird deutlich größer als erwartet	Barometer dominiert Unsicherheitsbudget	Barometerspezifikation und Kalibrierunsicherheit prüfen
0 bar absolut können nicht erreicht werden	unzureichendes Vakuum	erreichbaren minimalen Absolutdruck bestimmen
Prüfpunkt unter Atmosphärendruck nicht möglich	Referenz beziehungsweise Druckquelle nur für positiven Überdruck geeignet	negative Relativdruckfähigkeit und Vakuumerzeugung prüfen
Wiederholungen unterscheiden sich	Druck noch nicht stabil oder Leckage	Lecktest und Stabilitätskriterium prüfen
Prüfling und Referenz zeigen bei hohen Anforderungen unterschiedliche Werte	unterschiedliche Bezugshöhen	hydrostatische Druckkorrektur berücksichtigen

Kalibrierung systematisch durchführen

1. Druckart des Prüflings prüfen: Sicherstellen, dass tatsächlich ein Absolutdrucksensor vorliegt.
2. Messbereich festlegen: Minimal- und Maximaldruck sowie gewünschte Kalibrierpunkte bestimmen.
3. Relativdruckreferenz auswählen: Messbereich und Messunsicherheit müssen zur Aufgabe passen.
4. Barometer auswählen: Ein kalibriertes Barometer mit ausreichender Genauigkeit verwenden.
5. Vakuumbereich prüfen: Bei Prüfpunkten unter Atmosphärendruck muss die Referenz negative Relativdrücke erfassen können.
6. Prüfling und Referenz verbinden: Beide an dasselbe stabile Druckvolumen anschließen.
7. Leckage prüfen: Vor der Kalibrierung die Dichtheit des Systems kontrollieren.
8. Bezugshöhe definieren: Höhendifferenzen zwischen Referenz und Prüfling dokumentieren.
9. Barometerposition festlegen: Höhenunterschied zur relevanten Messstelle bei Bedarf korrigieren.
10. Geräte stabilisieren: Ausreichende thermische Aufwärm- und Stabilisierungszeit einhalten.
11. Atmosphärischen Druck erfassen: Aktuellen lokalen Barometerwert dokumentieren.
12. Prüfdruck einstellen: Den gewünschten Relativdruck erzeugen.
13. Druck stabilisieren lassen: Erst nach Erreichen des definierten Stabilitätskriteriums messen.
14. Messwerte gleichzeitig erfassen: Relativdruck, Barometerdruck und Prüflingswert zeitlich zuordnen.
15. Absolutdruck berechnen: pabs = prel + patm.
16. Abweichung bestimmen: Prüflingswert mit dem berechneten Referenzwert vergleichen.
17. Weitere Kalibrierpunkte anfahren: Aufwärts- und gegebenenfalls abwärtsgehende Messreihe durchführen.
18. Messunsicherheit bewerten: Referenz, Barometer, Stabilität und weitere relevante Beiträge berücksichtigen.
19. Ergebnisse dokumentieren: Druckart, Barometerwert, Bezugshöhe, Temperatur und Messverfahren festhalten.

Praxisbeispiel einer Mehrpunktkalibrierung

Ein Drucktransmitter mit:

0 … 10 bar absolut

soll bei mehreren Punkten geprüft werden.

Während der Messreihe beträgt der atmosphärische Druck näherungsweise:

0,9900 bar absolut

Sollwert absolut	erforderlicher Relativdruck
1,000 bar abs	0,010 bar rel
2,500 bar abs	1,510 bar rel
5,000 bar abs	4,010 bar rel
7,500 bar abs	6,510 bar rel
10,000 bar abs	9,010 bar rel

Wichtig

Die Tabelle gilt nur für:

patm = 0,9900 bar

Ändert sich der atmosphärische Druck auf beispielsweise:

0,9980 bar

müssen auch die erforderlichen Relativdruckwerte angepasst werden.

Alternativ kann der tatsächlich erreichte Absolutdruck berechnet werden

Wird beispielsweise:

prel = 4,0000 bar

eingestellt und:

patm = 0,9980 bar

gemessen, beträgt der tatsächliche Prüfpunkt:

pabs = 4,9980 bar

Dieser Wert kann anschließend als Referenzwert verwendet werden.

Wann eine direkte Absolutdruckreferenz besser ist

Die Kombination aus Relativdruckreferenz und Barometer kann technisch sehr leistungsfähig sein.

Sie ist jedoch nicht für jede Aufgabe automatisch die beste Lösung.

Eine direkte Absolutdruckreferenz ist besonders interessant

wenn:

• sehr niedrige Absolutdrücke geprüft werden,
• die Barometerunsicherheit einen zu großen Anteil am Unsicherheitsbudget besitzt,
• sehr hohe Genauigkeitsanforderungen bestehen,
• die Kalibrierung unabhängig vom aktuellen atmosphärischen Druck erfolgen soll,
• eine möglichst einfache Rückführungskette gewünscht wird.

Bei hohen Absolutdrücken

ist die Barometerkomponente relativ zum Gesamtdruck dagegen häufig klein.

Bei einem Absolutdruck von:

100 bar

entspricht der atmosphärische Druck nur ungefähr:

1 %

des Gesamtwertes.

Bei einem Messbereich von beispielsweise 0 … 1,2 bar absolut

bestimmt der atmosphärische Anteil dagegen einen erheblichen Teil der gesamten Messgröße.

Die Auswahl des Kalibrierverfahrens sollte deshalb immer aus Messbereich und geforderter Messunsicherheit abgeleitet werden.

Geeignete Druckkalibriertechnik bei ICS Schneider

Druck DPI610E

Der DPI610E portable Druckkalibrator ist insbesondere für Vor-Ort-Kalibrierungen interessant.

Die pneumatischen Ausführungen kombinieren:

• Druck- und Vakuumerzeugung,
• präzise Druckmessung,
• elektrische Messfunktionen,
• integriertes Barometer,
• automatisierte Prüf- und Dokumentationsfunktionen.

Das integrierte Barometer ermöglicht die Umrechnung zwischen Relativ- und Absolutdruck beziehungsweise die Verwendung sogenannter Pseudo-Druckbereiche.

Damit eignet sich das Gerät besonders für Anwendungen, bei denen ein Absolutdruckprüfling mit einer ursprünglich relativ messenden Referenz geprüft werden soll.

PM700E externe Drucksensoren

Mit den PM700E externen Drucksensoren lässt sich der DPI610E um zusätzliche Druckbereiche erweitern.

Die Serie umfasst Ausführungen für:

• Relativdruck,
• Absolutdruck,
• Differenzdruck,
• Barometrie.

Dadurch kann eine Kalibrierlösung gezielt an unterschiedliche Druckarten und Messbereiche angepasst werden.

PACE5000E

Für Labor- und Prüfstandsanwendungen ist der PACE5000E Hochpräzisions-Druckregler eine geeignete Lösung für automatisierte Druckkalibrierungen.

Mit der barometrischen Option kann das System zusätzlich zum Relativdruck einen daraus abgeleiteten Absolutdruck bereitstellen.

Das Grundprinzip entspricht:

Relativdruck + barometrischer Druck = Absolutdruck

Die Umrechnung wird dabei direkt im Kalibriersystem durchgeführt.

PACE6000E

Der PACE6000E erweitert dieses Konzept auf ein flexibles Zweikanal-System für anspruchsvolle Labor-, Kalibrier- und Prüfstandsanwendungen.

Je nach eingesetztem Regelmodul und Druckbereich stehen unterschiedliche Relativ- und Absolutdruckkonfigurationen zur Verfügung.

Welche Lösung ist sinnvoll?

Vereinfacht:

mobile Kalibrierung → DPI610E

zusätzliche Druckbereiche oder Druckarten → PM700E

automatisierter Laborprüfplatz → PACE5000E

komplexer Zweikanal-Prüfstand → PACE6000E

Die endgültige Auswahl sollte anhand von Druckbereich, gewünschter Messunsicherheit, Druckmedium, Mobilitätsanforderung und Kalibrierverfahren erfolgen.

Fazit

Ein Absolutdrucksensor kann grundsätzlich mit einer Relativdruckreferenz kalibriert werden, wenn der aktuelle atmosphärische Druck zusätzlich ausreichend genau gemessen wird.

Die grundlegende Beziehung lautet

pabs = prel + patm

Der aktuelle Barometerwert ist entscheidend

Der Standardatmosphärendruck von 1,01325 bar darf nicht einfach als tatsächlicher Umgebungsdruck eingesetzt werden.

Das Barometer wird Bestandteil der Referenz

Seine Kalibrierunsicherheit, Stabilität und Auflösung müssen daher in die Bewertung der Gesamtmessunsicherheit eingehen.

Relativdruck und Barometer sollten zeitlich zusammengehören

Da sich der atmosphärische Druck verändern kann, sollte der Barometerwert für die jeweiligen Kalibrierpunkte aktuell erfasst werden.

Auch die Höhenlage kann relevant sein

Bei hohen Genauigkeitsanforderungen können bereits Höhenunterschiede von wenigen Metern zwischen Barometer, Referenz und Prüfling messbare Druckunterschiede verursachen.

Umgebungsdruck ist nicht der Nullpunkt eines Absolutdrucksensors

Ein Absolutdrucksensor zeigt bei offenem Anschluss ungefähr den atmosphärischen Druck. Sein physikalischer Nullpunkt liegt beim idealen Vakuum.

Für sehr niedrige Absolutdrücke kann eine direkte Absolutdruckreferenz geeigneter sein

Mit zunehmender Annäherung an das Vakuum steigen die Anforderungen an Vakuumerzeugung, Leckrate, Barometer und negative Relativdruckmessung.

Für die Praxis gilt

Druckart des Prüflings bestimmen → geeignete Relativdruckreferenz auswählen → kalibriertes Barometer bereitstellen → Bezugshöhen festlegen → Messsystem auf Dichtheit prüfen → Temperatur stabilisieren → aktuellen lokalen Luftdruck erfassen → Prüfdruck einstellen → Stabilisierung abwarten → Relativdruck, Barometer und Prüfling möglichst gleichzeitig erfassen → Absolutdruck mit pabs = prel + patm berechnen → Höhen- und Stabilitätseinflüsse berücksichtigen → Messabweichung bestimmen → vollständiges Unsicherheitsbudget bewerten → Messbedingungen und Barometerwerte dokumentieren.

FAQ: Absolutdrucksensor mit Relativdruckreferenz kalibrieren

Kann ich einen Absolutdrucksensor mit einem Relativdruckkalibrator prüfen?

Ja. Zusätzlich muss der aktuelle atmosphärische Absolutdruck gemessen und zum Relativdruck addiert werden.

Wie lautet die Formel für die Umrechnung von Relativdruck in Absolutdruck?

pabs = prel + patm.

Was bedeutet patm?

patm ist der aktuelle lokale atmosphärische Absolutdruck.

Kann ich für patm einfach 1,01325 bar verwenden?

Nein. 1,01325 bar ist der definierte Standardatmosphärendruck und entspricht nicht automatisch dem aktuellen Druck am Kalibrierort.

Kann ich den Luftdruck aus einer Wetter-App verwenden?

Für eine rückführbare Kalibrierung sollte ein geeignetes kalibriertes Barometer verwendet werden. Wetterdienste geben außerdem häufig einen auf Meereshöhe reduzierten Luftdruck an.

Was zeigt ein Absolutdrucksensor bei offenem Anschluss?

Er zeigt ungefähr den aktuellen atmosphärischen Absolutdruck, typischerweise also einen Wert in der Größenordnung von 1 bar absolut.

Warum zeigt ein Relativdrucksensor bei offenem Anschluss 0 bar?

Weil seine Referenz der aktuelle atmosphärische Druck ist. Zwischen Messanschluss und Umgebung besteht dann keine Druckdifferenz.

Wo liegt der Nullpunkt eines Absolutdrucksensors?

Bei 0 bar absolut, also beim idealen Vakuum.

Kann ich den Nullpunkt eines Absolutdrucksensors bei Atmosphärendruck prüfen?

Nein. Bei Atmosphärendruck wird ein Punkt in der Nähe von 1 bar absolut geprüft. Für einen Punkt nahe 0 bar absolut ist eine geeignete Vakuumerzeugung erforderlich.

Wie erzeuge ich 5 bar absolut mit einer Relativdruckreferenz?

Vom gewünschten Absolutdruck wird der aktuelle atmosphärische Druck abgezogen. Bei beispielsweise 0,985 bar Atmosphäre wären etwa 4,015 bar Relativdruck erforderlich.

Kann ich auch Absolutdrücke unter 1 bar prüfen?

Ja, wenn das Drucksystem Vakuum erzeugen kann und die Relativdruckreferenz den entsprechenden negativen Relativdruck zuverlässig misst.

Wie berechne ich den erforderlichen negativen Relativdruck?

Mit prel = pabs − patm. Bei 0,5 bar absolut und 1,0 bar Atmosphärendruck ergibt sich ungefähr −0,5 bar relativ.

Was ist Pseudo-Absolutdruck?

Ein Pseudo-Absolutdruck wird aus einer Relativdruckmessung und einer zusätzlichen barometrischen Messung berechnet.

Ist Pseudo-Absolutdruck dasselbe wie eine direkte Absolutdruckmessung?

Nein. Beim Pseudo-Absolutdruck werden zwei Messgrößen kombiniert. Ein Absolutdrucksensor besitzt dagegen eine eigene absolute Referenz.

Warum muss das Barometer kalibriert sein?

Weil sein Messwert direkt in den berechneten Referenz-Absolutdruck eingeht und somit Bestandteil der Kalibrierkette ist.

Wie wirkt sich ein Barometerfehler von 1 mbar aus?

Bei ansonsten unveränderten Bedingungen erzeugt ein Fehler von 1 mbar im Barometerwert auch ungefähr 1 mbar Fehler im berechneten Absolutdruck.

Muss der Barometerwert für jeden Kalibrierpunkt gemessen werden?

Bei hohen Genauigkeitsanforderungen ist eine zeitnahe oder kontinuierliche Erfassung sinnvoll, da sich der atmosphärische Druck während einer Kalibrierung ändern kann.

Warum spielt die Höhe des Barometers eine Rolle?

Der atmosphärische Druck nimmt mit zunehmender Höhe ab. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen kann deshalb ein Höhenunterschied zwischen Barometer und Prüfling berücksichtigt werden müssen.

Wie groß ist der Luftdruckunterschied pro Meter Höhe?

Unter typischen Umgebungsbedingungen liegt er näherungsweise bei etwa 12 Pa beziehungsweise 0,12 mbar pro Meter.

Spielt die Höhendifferenz auch zwischen Prüfling und Druckreferenz eine Rolle?

Ja. Der hydrostatische Druckunterschied hängt von Dichte des Druckmediums, Erdbeschleunigung und Höhendifferenz ab.

Ist der Höheneinfluss bei Flüssigkeiten größer?

Ja. Flüssigkeiten besitzen eine wesentlich höhere Dichte als Luft. Deshalb können Höhenunterschiede bei hydraulischen Kalibrierungen deutlich größere Druckdifferenzen verursachen.

Warum muss ich nach dem Einstellen eines Drucks warten?

Das Druckmedium, die Leitungen und die Sensoren müssen sich nach einer Druckänderung thermisch und mechanisch stabilisieren.

Warum kann sich pneumatischer Druck nach der Kompression verändern?

Das Gas erwärmt sich während der Kompression. Beim anschließenden Temperaturausgleich verändert sich der Druck.

Was gehört in das Unsicherheitsbudget?

Unter anderem die Unsicherheit der Relativdruckreferenz, des Barometers, Stabilitäts- und Temperatureinflüsse, Höhenkorrekturen sowie Beiträge des Prüflings.

Wann ist eine direkte Absolutdruckreferenz sinnvoller?

Insbesondere bei sehr niedrigen Absolutdrücken, sehr kleinen Messunsicherheiten oder wenn der Einfluss der barometrischen Referenz zu groß wird.

Kann der DPI610E Absolutdruck aus Relativdruck berechnen?

Ja. Die pneumatischen DPI610E-Ausführungen besitzen ein integriertes Barometer und unterstützen daraus abgeleitete Pseudo-Absolutdruckbereiche.

Kann der DPI610E auch Vakuum erzeugen?

Ja. Die pneumatischen Varianten sind für Vakuum- und positive Druckerzeugung ausgelegt und eignen sich dadurch auch für Kalibrierpunkte unterhalb des atmosphärischen Drucks.

Was sind PM700E Drucksensoren?

PM700E sind externe Druckmodule für den DPI610E. Sie stehen für unterschiedliche Druckbereiche und unter anderem für Relativ-, Absolut-, Differenz- und barometrische Druckmessung zur Verfügung.

Kann der PACE5000E Relativdruck in Absolutdruck umrechnen?

Mit entsprechender barometrischer Option kann ein Relativdruckbereich um den gemessenen atmosphärischen Druck ergänzt und als Absolutdruck verwendet werden.

Welches Gerät eignet sich für eine mobile Kalibrierung?

Der DPI610E ist speziell als portabler Druckkalibrator für Labor- und Vor-Ort-Anwendungen ausgelegt.

Welches Gerät eignet sich für automatisierte Kalibrierplätze?

Für Labor- und Prüfstandsanwendungen sind beispielsweise die modularen Druckcontroller PACE5000E und PACE6000E vorgesehen.

Wo finde ich den DPI610E bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter DPI610E bei ICS Schneider.

Wo finde ich die PM700E Druckmodule?

Weitere Informationen finden Sie unter PM700E bei ICS Schneider.

Wo finde ich den PACE5000E?

Weitere Informationen finden Sie unter PACE5000E bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Druckkalibriertechnik?

Eine Übersicht finden Sie unter Kalibriertechnik bei ICS Schneider.