Höhendifferenz bei Druckkalibrierung: Head Correction richtig berechnen

→ Produktkategorie: Kalibriertechnik

 

Bei einer Druckkalibrierung sollten Referenz und Prüfling idealerweise auf derselben hydraulischen beziehungsweise pneumatischen Referenzhöhe liegen. In der Praxis ist das jedoch häufig nicht möglich: Der Druckcontroller steht auf dem Labortisch, während der Prüfling darüber auf einem Prüfgestell montiert ist, oder ein Drucktransmitter befindet sich unterhalb des Referenzgerätes.

Zwischen beiden Messstellen befindet sich dann eine vertikale Säule des Druckmediums. Durch die Schwerkraft entsteht innerhalb dieser Säule ein hydrostatischer Druckgradient.

Die Folge: Obwohl Referenz und Prüfling über dieselbe Druckleitung miteinander verbunden sind, liegt an beiden Geräten nicht exakt derselbe Druck an.

Die daraus resultierende Head Correction wird mit der Höhendifferenz, der Dichte des Druckmediums und der Erdbeschleunigung berechnet. Bei Flüssigkeiten kann bereits eine Höhendifferenz von wenigen Zentimetern mehrere Millibar verursachen. Bei Gasen ist der Effekt wesentlich kleiner, kann bei kleinen Messbereichen, hohen Gasdrücken oder sehr präzisen Referenzen aber ebenfalls relevant werden.

Für hochgenaue stationäre Druckkalibrierungen eignet sich beispielsweise der Druck PACE5000E Hochpräzisions-Druckregler. Je nach eingesetztem Regelmodul sind Messbereiche von 25 mbar bis 210 bar und sehr geringe Messunsicherheiten möglich.

Für mobile Kalibrieraufgaben stehen unter anderem der Druck DPI610E sowie das modulare DPI620G Kalibriersystem zur Verfügung.

Weitere Lösungen finden Sie unter Kalibriertechnik bei ICS Schneider.

Warum entsteht zwischen zwei Höhen ein Druckunterschied?

Ein ruhendes Fluid besitzt im Schwerefeld der Erde einen vertikalen Druckgradienten.

Je weiter man sich innerhalb einer zusammenhängenden Fluidsäule nach unten bewegt, desto größer wird der Druck.

Der Grund ist das Gewicht der darüberliegenden Flüssigkeits- beziehungsweise Gassäule.

Das gilt auch innerhalb einer Kalibrierleitung

Stehen beispielsweise:

• ein Druckcontroller auf dem Labortisch

und:

• ein Drucktransmitter 50 cm darunter,

dann wirkt zwischen beiden Geräten das Gewicht der 50 cm hohen Fluidsäule.

Der Druck am tiefer liegenden Gerät ist dadurch höher.

Umgekehrt gilt

Liegt der Prüfling oberhalb der Referenz, ist der Druck am Prüfling geringer als an der Referenz.

Dieser Unterschied existiert auch dann, wenn:

• keine Strömung vorhanden ist,
• der Druck vollständig stabilisiert ist,
• Referenz und Prüfling perfekt miteinander verbunden sind.

Es handelt sich nicht um einen Messgerätefehler, sondern um einen realen physikalischen Druckunterschied.

Formel für die hydrostatische Head Correction

Für eine Flüssigkeit beziehungsweise bei ausreichend kleiner Höhendifferenz auch näherungsweise für ein Gas gilt:

Δp = ρ · g · Δh

mit:

• Δp = hydrostatischer Druckunterschied in Pa,
• ρ = Dichte des Druckmediums in kg/m³,
• g = Erdbeschleunigung in m/s²,
• Δh = vertikale Höhendifferenz in m.

Für Standardberechnungen kann näherungsweise verwendet werden:

g = 9,80665 m/s²

Umrechnung in mbar

Da:

1 mbar = 100 Pa

gilt:

Δp [mbar] = ρ · g · Δh / 100

Wichtig

Es zählt ausschließlich die vertikale Höhendifferenz.

Die Länge des Verbindungsschlauches ist für die hydrostatische Korrektur nicht entscheidend.

Ein fünf Meter langer Schlauch, der nahezu horizontal verläuft, kann deshalb eine kleinere Head Correction verursachen als ein 50 cm langer Schlauch, der vollständig vertikal verläuft.

Welches Vorzeichen hat die Korrektur?

Die häufigste praktische Fehlerquelle ist nicht die Berechnung des Betrags, sondern das falsche Vorzeichen.

Eine eindeutige Definition verhindert Verwechslungen.

Wir definieren

Δh = hReferenz − hDUT

mit einer nach oben zunehmenden Höhenkoordinate.

Dann gilt:

pDUT = pReferenz + ρ · g · Δh

Prüfling liegt tiefer als die Referenz

Dann ist:

Δh > 0

und:

pDUT > pReferenz

Der Druck am Prüfling ist also höher.

Prüfling liegt höher als die Referenz

Dann ist:

Δh < 0

und:

pDUT < pReferenz

Der Druck am Prüfling ist niedriger.

Anordnung	Head Correction am Prüfling
Prüfling unterhalb der Referenz	Druck am Prüfling höher
Prüfling auf gleicher Höhe	keine Höhenkorrektur
Prüfling oberhalb der Referenz	Druck am Prüfling niedriger

Bei Geräten mit integrierter Head-Correction-Funktion muss immer die vom Hersteller verwendete Vorzeichendefinition beachtet werden. Diese kann softwareseitig anders definiert sein als eine eigene Rechenkonvention.

Welche Referenzebenen müssen verglichen werden?

Die äußeren Gehäusehöhen von Referenz und Prüfling sind nicht automatisch die richtigen Bezugspunkte.

Entscheidend ist jeweils die messtechnische Druckreferenzebene des Gerätes.

Je nach Gerät kann dies beispielsweise sein

• die Mitte eines Druckanschlusses,
• die Ebene einer Trennmembran,
• die Lage der internen Sensormembran,
• eine vom Hersteller markierte Referenzlinie,
• die Bezugsebene eines Kolbenmanometers.

Beim Prüfling

sollte möglichst die vom Hersteller definierte Druckreferenzebene verwendet werden.

Ist keine besondere Ebene angegeben, ist bei vielen industriellen Druckmessgeräten die geometrische Ebene des Prozessanschlusses beziehungsweise der Messmembran die sinnvollste Näherung.

Bei einer Präzisionsreferenz

sollte dagegen immer die Bedienungsanleitung herangezogen werden.

Hochpräzise Druckcontroller können eine definierte Referenzebene beziehungsweise einen festgelegten Messanschluss besitzen.

Die Höhe zwischen zwei Gehäuseunterkanten zu messen, obwohl sich die tatsächlichen Druckreferenzebenen an anderen Positionen befinden, kann die Head Correction selbst bereits verfälschen.

Head Correction bei Flüssigkeiten

Bei hydraulischen Kalibrierungen ist die Höhenkorrektur besonders wichtig.

Flüssigkeiten besitzen eine wesentlich höhere Dichte als Gase.

Typische Größenordnungen

Medium	Typische Dichte	Druckdifferenz pro 1 m Höhe
Wasser bei etwa 20 °C	ca. 998 kg/m³	ca. 97,9 mbar/m
Hydrauliköl	ca. 850 kg/m³	ca. 83,4 mbar/m
Luft bei etwa 1 bar(a)	ca. 1,2 kg/m³	ca. 0,12 mbar/m

Bereits hier wird deutlich, warum die Höhenkorrektur bei hydraulischen Kalibrierungen praktisch nie pauschal ignoriert werden sollte.

10 cm Höhendifferenz mit Öl

Bei einer Dichte von:

850 kg/m³

ergeben:

0,10 m

bereits ungefähr:

8,34 mbar

Druckunterschied.

Bei kleinen Druckbereichen kann das deutlich größer sein als die zulässige Messabweichung des Prüflings.

Head Correction bei Gasen

Bei pneumatischen Kalibrierungen ist die Head Correction wesentlich kleiner, weil die Dichte von Luft oder Stickstoff deutlich geringer ist.

Trotzdem sollte sie bei hochgenauen Messungen nicht automatisch vernachlässigt werden.

Besonders relevant wird sie bei

• kleinen Druckmessbereichen,
• großen Höhendifferenzen,
• hochpräzisen Referenzgeräten,
• hohem absolutem Gasdruck.

Anders als bei einer nahezu inkompressiblen Flüssigkeit verändert sich die Gasdichte deutlich mit dem Druck.

Die einfache Gleichung:

Δp = ρ · g · Δh

kann für kleine Höhendifferenzen weiterhin verwendet werden, wenn eine geeignete mittlere Gasdichte eingesetzt wird.

Für größere Höhenunterschiede oder höchste Genauigkeitsanforderungen

muss die Veränderung der Gasdichte entlang der vertikalen Leitung berücksichtigt werden.

Grundsätzlich gilt:

dp/dz = −ρ · g

wobei die Dichte:

ρ = ρ(p,T)

vom absoluten Druck und von der Gastemperatur abhängt.

Warum ist der Gasdruck für die Dichte entscheidend?

Bei Gasen darf für eine Hochdruckkalibrierung nicht einfach die Luftdichte bei atmosphärischem Druck verwendet werden.

Die Dichte steigt mit zunehmendem Absolutdruck deutlich an.

Für ein näherungsweise ideales Gas gilt

ρ = p · M / (Z · R · T)

mit:

• p = Absolutdruck,
• M = molare Masse des Gases,
• Z = Kompressibilitätsfaktor,
• R = universelle Gaskonstante,
• T = absolute Gastemperatur.

Vereinfacht bedeutet das

Bei ungefähr gleicher Temperatur steigt die Dichte mit dem absoluten Druck.

Luft besitzt bei ungefähr atmosphärischem Druck und Raumtemperatur eine Dichte von rund:

1,2 kg/m³

Bei ungefähr:

10 bar(a)

liegt die Dichte näherungsweise bereits in der Größenordnung von:

12 kg/m³

.

Damit steigt auch die Head Correction

Bei ungefähr 1 bar(a) erzeugt 1 m Luftsäule rund:

0,12 mbar

.

Bei ungefähr 10 bar(a) können es bereits rund:

1,2 mbar

pro Meter sein.

Für die Berechnung einer pneumatischen Head Correction ist daher der Absolutdruck relevant, selbst wenn ein Relativdruckgerät kalibriert wird.

Einfluss der Temperatur auf die Mediumsdichte

Die Dichte des Druckmediums ist temperaturabhängig.

Bei Flüssigkeiten

ändert sich die Dichte mit der Temperatur vergleichsweise moderat.

Für präzise hydraulische Kalibrierungen sollte dennoch die Dichte des tatsächlich verwendeten Öls beziehungsweise der Flüssigkeit bei der aktuellen Temperatur verwendet werden.

Bei Gasen

ist der Temperatureinfluss wesentlich deutlicher.

Bei gleichem Druck besitzt wärmeres Gas eine geringere Dichte.

Dadurch wird auch die Head Correction kleiner.

Für hohe Genauigkeit sollten deshalb bekannt sein

• Druckmedium,
• Temperatur des Mediums,
• Dichte beziehungsweise Zustandsgleichung,
• Absolutdruck.

Bei längeren Druckleitungen ist gegebenenfalls die mittlere Gastemperatur entlang der relevanten vertikalen Strecke anzusetzen.

Welche Rolle spielt die lokale Erdbeschleunigung?

Für normale industrielle Kalibrierungen wird häufig die Standardfallbeschleunigung verwendet:

g0 = 9,80665 m/s²

Die tatsächliche lokale Erdbeschleunigung hängt jedoch unter anderem von:

• geografischer Breite,
• Höhe über dem Meeresspiegel

ab.

Bei höchsten Genauigkeitsanforderungen

kann deshalb ein lokaler g-Wert verwendet werden.

Das ist insbesondere aus der Kolbenmanometrie beziehungsweise bei primären Drucknormalen bekannt.

Auch manche Präzisions-Druckcontroller berücksichtigen bei ihrer Head-Correction-Funktion neben Höhe und Gasdichte die lokale Erdbeschleunigung.

Praxisbeispiel: hydraulische Kalibrierung mit Öl

Ein Präzisionsmanometer wird mit einem hydraulischen Referenzgerät kalibriert.

Der Prüfling befindet sich:

0,50 m

unterhalb der Referenzebene.

Das verwendete Öl besitzt bei der aktuellen Temperatur eine Dichte von:

850 kg/m³

Berechnung

Δp = 850 · 9,80665 · 0,50

Damit ergibt sich:

Δp ≈ 4.168 Pa

beziehungsweise:

Δp ≈ 41,7 mbar

Prüfling liegt tiefer

Der Druck am Prüfling ist deshalb etwa:

41,7 mbar

höher als der Druck an der Referenzebene.

Beispiel Referenzanzeige

Die Referenz zeigt:

100,000 bar

.

Dann liegt am tiefer montierten Prüfling näherungsweise an:

100,0417 bar

.

Würde man die Höhendifferenz ignorieren, würde dieser reale Druckunterschied fälschlicherweise als Messabweichung des Prüflings interpretiert.

Praxisbeispiel: Wasser als Druckmedium

Bei einer Kalibrierung mit Wasser beträgt die Höhendifferenz lediglich:

100 mm

.

Für Wasser mit ungefähr:

998 kg/m³

ergibt sich:

Δp ≈ 998 · 9,80665 · 0,10

und damit:

Δp ≈ 979 Pa

beziehungsweise:

Δp ≈ 9,8 mbar

Schon 10 cm Höhenunterschied erzeugen mit Wasser somit fast 10 mbar Druckdifferenz.

Praxisbeispiel: pneumatische Kalibrierung mit Luft

Ein Drucktransmitter wird pneumatisch kalibriert.

Die Druckreferenz befindet sich:

0,50 m

unterhalb des Prüflings.

Bei ungefähr atmosphärischem Druck und Raumtemperatur nehmen wir für Luft näherungsweise:

ρ = 1,2 kg/m³

an.

Berechnung

Δp = 1,2 · 9,80665 · 0,50

Das ergibt ungefähr:

5,9 Pa

beziehungsweise:

0,059 mbar

Ist das relevant?

Bei einem 10-bar-Manometer ist dieser Wert meist unbedeutend.

Bei einem hochgenauen Messbereich von beispielsweise:

0 … 100 mbar

kann:

0,059 mbar

jedoch bereits relevant sein.

Bei höherem Absolutdruck steigt der Effekt

Wird dieselbe Messung bei deutlich höherem Gasdruck durchgeführt, steigt die Gasdichte und damit auch die Höhenkorrektur.

Die Aussage:

Bei Gasen kann Head Correction immer ignoriert werden

ist deshalb nicht korrekt.

Warum kleine Druckbereiche besonders kritisch sind

Entscheidend ist nicht nur der absolute Betrag der Head Correction, sondern sein Verhältnis zum Messbereich und zur zulässigen Messunsicherheit.

Beispiel

Eine pneumatische Höhenkorrektur von:

0,10 mbar

entspricht bei einem Messbereich von:

0 … 100 bar

praktisch keinem relevanten Anteil.

Bei einem Messbereich von:

0 … 10 mbar

sind dieselben:

0,10 mbar

bereits:

1 % FS

.

Ob eine Head Correction berücksichtigt werden muss, lässt sich deshalb nicht allein aus der Höhe bestimmen. Messbereich, Genauigkeit und Medium müssen gemeinsam betrachtet werden.

Relativ- und Absolutdruck richtig behandeln

Die hydrostatische Druckdifferenz entsteht unabhängig davon, ob der angeschlossene Prüfling Relativ- oder Absolutdruck misst.

Bei Flüssigkeiten

ändert sich an der grundlegenden Berechnung nichts.

Bei Gasen ist jedoch wichtig

dass die Dichte aus dem tatsächlichen absoluten Gasdruck bestimmt wird.

Ein Relativdruck von:

10 bar(g)

entspricht bei ungefähr 1 bar atmosphärischem Druck einem Gasdruck von ungefähr:

11 bar(a)

.

Für die Gasdichte darf deshalb nicht einfach:

10 bar

eingesetzt werden.

Besonderheiten bei Differenzdruckmessungen

Bei Differenzdruckmessungen existieren zwei Druckseiten:

• High Pressure,
• Low Pressure.

Für beide Seiten kann jeweils eine eigene hydrostatische Korrektur entstehen.

Vereinfacht gilt

ΔpDUT = pHP,DUT − pLP,DUT

und beide Drücke können gegenüber den Referenzdrücken um ihre jeweilige Head Correction verändert sein.

Symmetrischer Aufbau

Sind:

• beide Druckleitungen gleich gefüllt,
• beide Medien gleich,
• beide Referenzebenen gleich hoch

und verlaufen HP- und LP-Seite identisch, können sich die Höhenanteile weitgehend gegenseitig aufheben.

Unsymmetrischer Aufbau

Unterschiedliche:

• Höhen,
• Flüssigkeitssäulen,
• Gasdichten,
• Temperaturen

führen dagegen unmittelbar zu einem Differenzdruckfehler.

Bei sehr kleinen Differenzdruckbereichen kann dieser Einfluss besonders kritisch sein.

Schlauchführung und Höhendifferenz unterscheiden

Ein häufiger Irrtum besteht darin, die gesamte Schlauchlänge in die hydrostatische Formel einzusetzen.

Das ist falsch.

Entscheidend ist nur die vertikale Komponente

Ein Schlauch kann:

3 m

lang sein, aber Referenz und Prüfling befinden sich nur:

0,2 m

auf unterschiedlichen Höhen.

Dann beträgt die für die Head Correction relevante Höhe:

0,2 m

und nicht:

3 m

Schlauchschleifen ändern die statische Head Correction nicht

solange:

• das Medium überall zusammenhängend ist,
• keine zweite Phase eingeschlossen ist,
• das System im statischen Gleichgewicht steht.

Bei Flüssigkeiten können Luftblasen dagegen problematisch sein

Eine Luftblase verändert lokal:

• die effektive Fluidsäule,
• die Kompressibilität des Systems,
• das dynamische Verhalten.

Hydraulische Kalibrierleitungen sollten deshalb sorgfältig entlüftet werden.

Höhendifferenz richtig messen

Die Höhendifferenz sollte möglichst senkrecht zwischen den beiden tatsächlichen Referenzebenen bestimmt werden.

Geeignete Hilfsmittel sind beispielsweise

• Stahlmaßstab,
• Bandmaß,
• Laser-Distanzmessgerät,
• Nivelliergerät bei größeren Aufbauten.

Bei hoher Genauigkeit

sollte auch die Unsicherheit der Höhenbestimmung berücksichtigt werden.

Beispiel mit Öl

Bei:

ρ = 850 kg/m³

verursacht bereits eine Unsicherheit der Höhenmessung von:

±1 mm

eine Druckunsicherheit von ungefähr:

±0,083 mbar

.

Bei sehr kleinen Druckmessbereichen kann selbst die Genauigkeit der Höhenbestimmung deshalb relevant werden.

Kann man die Head Correction einfach wegnullen?

Bei manchen Kalibrieraufbauten wird Referenz und Prüfling bei drucklosem Zustand genullt.

Das beseitigt eine Head Correction jedoch nicht grundsätzlich.

Bei einer Flüssigkeitssäule

existiert der hydrostatische Druckunterschied aufgrund der vorhandenen Flüssigkeit weiterhin.

Je nach Aufbau kann ein Nullabgleich diesen Einfluss an einem Punkt zwar scheinbar kompensieren, er ersetzt jedoch keine korrekte Definition der Referenzebene.

Bei Gasen

ist die Situation zusätzlich druckabhängig.

Da die Gasdichte mit dem Absolutdruck steigt, verändert sich auch die Head Correction über den Druckbereich.

Ein Nullabgleich bei Atmosphärendruck kann deshalb einen Höhenfehler bei beispielsweise 10 bar nicht vollständig kompensieren.

Eine physikalisch berechnete Head Correction ist daher einem bloßen Nullabgleich vorzuziehen.

Head Correction in der Messunsicherheit

Wenn die Höhenkorrektur angewendet wird, ist nicht nur ihr Wert relevant.

Auch ihre Unsicherheit gehört in das Messunsicherheitsbudget.

Einflussgrößen sind beispielsweise

• Unsicherheit der Höhendifferenz,
• Unsicherheit der Mediumsdichte,
• Temperaturabhängigkeit der Dichte,
• Gasdruck bei pneumatischen Prüfungen,
• lokale Erdbeschleunigung,
• inhomogene Temperatur entlang einer Gasleitung.

Für:

Δp = ρ · g · Δh

ergibt sich vereinfacht eine relative Unsicherheit aus den Unsicherheiten von:

ρ

,

g

und:

Δh

.

In vielen industriellen Fällen

dominiert bei Flüssigkeiten die Unsicherheit von:

• Höhenbestimmung,
• tatsächlicher Flüssigkeitsdichte.

Bei pneumatischen Hochdruckmessungen können zusätzlich die Zustandseigenschaften des Gases relevant werden.

Wann darf die Höhenkorrektur vernachlässigt werden?

Nicht jede berechnete Head Correction muss zwingend als separate Korrektur angewendet werden.

Sie darf vernachlässigt werden, wenn nachgewiesen ist, dass ihr Einfluss gegenüber der geforderten Messunsicherheit ausreichend klein ist.

Sinnvolle Vorgehensweise

Zuerst wird der maximale mögliche Höhenfehler berechnet.

Danach wird er mit:

• zulässiger Prüflingstoleranz,
• Referenzunsicherheit,
• gesamtem Messunsicherheitsbudget

verglichen.

Beispiel

Berechnete Head Correction:

0,02 mbar

Zulässige Prozessabweichung:

±20 mbar

Hier ist der Einfluss wahrscheinlich praktisch bedeutungslos.

Anderes Beispiel

Berechnete Head Correction:

0,02 mbar

Ziel-Messunsicherheit:

0,01 mbar

Dann kann dieselbe Höhenkorrektur nicht mehr ignoriert werden.

Nicht die absolute Größe entscheidet, sondern ihr Verhältnis zur geforderten Genauigkeit.

Praxisbeispiel: Kalibrierplatz mit PACE5000E

Ein hochgenauer Drucktransmitter wird an einem stationären Prüfplatz mit einem PACE5000E kalibriert.

Der Controller steht in einem Tischrack.

Der Prüfling ist in einer Halterung darüber befestigt.

1. Referenzebenen bestimmen

Die relevante Druckreferenzebene des Controllers und die Prozessanschlussebene des Prüflings werden bestimmt.

2. Höhendifferenz messen

Der Prüfling befindet sich:

320 mm

oberhalb der Referenz.

3. Medium festlegen

Als Druckmedium wird trockener Stickstoff verwendet.

4. Gaszustand bestimmen

Für die Berechnung werden:

• Absolutdruck,
• mittlere Gastemperatur,
• Stickstoffdichte

berücksichtigt.

5. Höhenkorrektur berechnen

Da der Prüfling höher liegt, ist der dort anliegende Druck etwas niedriger als der am Controller gemessene Druck.

6. Prüfpunkte korrigieren

Der vom Controller erzeugte Druck wird auf die Druckebene des Prüflings umgerechnet.

7. Korrektur dokumentieren

Im Kalibrierprotokoll werden festgehalten:

• Höhendifferenz,
• Medium,
• Dichte beziehungsweise Berechnungsverfahren,
• Temperatur,
• verwendete Korrektur.

Damit wird nicht die Anzeige des Controllers verändert, sondern klar definiert, welcher Druck tatsächlich an der Referenzebene des Prüflings anliegt.

Besonderheiten bei Vor-Ort-Kalibrierungen

Bei mobilen Kalibrierungen ist eine gemeinsame Referenzhöhe oft schwieriger einzuhalten als im Labor.

Typische Situationen sind

• Transmitter an Rohrleitungen oberhalb des Kalibrators,
• Manometer an Maschinen in Bodennähe,
• Prüflinge auf Behältern oder Podesten,
• lange vertikale Impulsleitungen.

Gerade bei mobilen hydraulischen Kalibrierungen kann dadurch eine erhebliche Head Correction entstehen.

Eine einfache Verbesserung

besteht darin, den mobilen Referenzkalibrator möglichst auf Höhe des Prüflings zu positionieren.

Dadurch:

• wird die Korrektur kleiner,
• sinkt ihre Unsicherheit,
• wird die Dokumentation einfacher.

Mit einem mobilen Druckkalibrator wie dem DPI610E oder einem DPI620G-System lässt sich der Prüfaufbau deshalb häufig so positionieren, dass Referenz und Prüfling näher an derselben Höhenebene liegen.

Typische Fehlerbilder

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Alle Prüfpunkte zeigen nahezu denselben Offset	Head Correction bei Flüssigkeit nicht berücksichtigt	Höhendifferenz und Mediumsdichte berechnen
Fehler ändert sich bei Änderung der Montagehöhe	hydrostatischer Höheneinfluss	Referenz- und DUT-Ebene vergleichen
Hydraulische Kalibrierung zeigt mehrere mbar unerklärliche Abweichung	Referenz und Prüfling nicht auf gleicher Höhe	vertikale Distanz messen
Pneumatischer Fehler steigt mit Druck	Gasdichte und damit Head Correction steigen mit Absolutdruck	Gas-Head-Correction druckabhängig berechnen
Berechnung liefert falsches Vorzeichen	Höhenkonvention vertauscht	prüfen, welches Gerät höher liegt
Head Correction bleibt trotz Nullabgleich bestehen	physikalische Fluidsäule weiterhin vorhanden	Korrektur auf Referenzebene anwenden
Zwei Prüfer berechnen unterschiedliche Werte	unterschiedliche Dichte oder Höhenreferenz verwendet	Berechnungsparameter vereinheitlichen
Gas-Korrektur deutlich zu klein	Dichte bei 1 bar statt bei Betriebsdruck verwendet	Absolutdruck berücksichtigen
Öl-Korrektur stimmt nach Temperaturänderung nicht mehr exakt	Dichteänderung des Öls	Mediumstemperatur und Dichte prüfen
Differenzdruckmessung zeigt konstanten Nullpunktfehler	unterschiedliche hydrostatische Säulen auf HP- und LP-Seite	beide Seiten separat betrachten
Berechnung basiert auf gesamter Schlauchlänge	Schlauchlänge mit vertikaler Höhe verwechselt	nur Höhenunterschied verwenden
Hydraulisches System reagiert schwammig	Luftblasen in der Leitung	System sorgfältig entlüften
Korrektur liegt in der Größenordnung der Zielunsicherheit	Head Correction nicht im Unsicherheitsbudget berücksichtigt	Korrektur und zugehörige Unsicherheit einbeziehen

Empfohlener Kalibrierablauf

1. Messaufgabe definieren: Druckart, Bereich und geforderte Messunsicherheit festlegen.
2. Referenz auswählen: Geeignetes Drucknormal beziehungsweise Kalibriersystem verwenden.
3. Druckmedium festlegen: Gas oder Flüssigkeit eindeutig dokumentieren.
4. Referenzebene der Referenz bestimmen: Herstellerangabe verwenden.
5. Referenzebene des Prüflings bestimmen: Prozessanschluss beziehungsweise definierte Messebene festlegen.
6. Höhendifferenz messen: Ausschließlich die vertikale Distanz erfassen.
7. Vorzeichen definieren: Eindeutig festlegen, ob der Prüfling höher oder tiefer liegt.
8. Mediumsdichte bestimmen: Herstellerdaten oder geeignete Stoffdaten verwenden.
9. Mediumstemperatur erfassen: Für die Dichtebestimmung berücksichtigen.
10. Bei Gasen Absolutdruck verwenden: Gasdichte nicht aus dem Relativdruck ableiten.
11. Bei hoher Genauigkeit lokalen g-Wert prüfen: Falls für das Unsicherheitsbudget erforderlich.
12. Head Correction berechnen: Δp = ρ · g · Δh anwenden.
13. Bei Gasen Druckabhängigkeit berücksichtigen: Geeignete mittlere beziehungsweise punktweise Dichte verwenden.
14. Prüfdruck auf DUT-Ebene beziehen: Korrektur mit richtigem Vorzeichen anwenden.
15. System stabilisieren: Temperatur und Druck ausreichend stabil werden lassen.
16. Prüfpunkte aufnehmen: Steigende und gegebenenfalls fallende Druckreihe messen.
17. Head Correction konsistent anwenden: Nicht zwischen einzelnen Prüfpunkten unterschiedliche Konventionen verwenden.
18. Unsicherheit der Höhenkorrektur bestimmen: Höhe, Dichte und weitere Einflussgrößen berücksichtigen.
19. Ergebnisse bewerten: Korrigierte DUT-Werte mit Toleranz vergleichen.
20. Kalibrierprotokoll erstellen: Referenzebene und Head Correction dokumentieren.
21. Prüfaufbau bei Wiederholung reproduzieren: Gleiche Höhenbedingungen verwenden oder neu bestimmen.

Passende Kalibriertechnik bei ICS Schneider

Druck PACE5000E – hochpräziser stationärer Druckcontroller

Der PACE5000E ist ein modularer Hochpräzisions-Druckcontroller für Kalibrierlabor, Prüfstand und Produktion.

Zu den wesentlichen Eigenschaften gehören:

• Messbereiche von 25 mbar bis 210 bar,
• austauschbare PACE-CM-Regelmodule,
• Messgenauigkeiten je nach Modul bis in den Bereich von 0,001 % FS,
• hohe Regelstabilität,
• schnelle Druckregelung,
• automatisierbare Prüfabläufe,
• Integration in Kalibrier- und Prüfsysteme.

Gerade bei diesen Genauigkeitsklassen müssen Einflüsse wie:

• Head Correction,
• Temperatur,
• Stabilisierung,
• Referenzebene

systematisch berücksichtigt werden.

Druck DPI610E – mobiler Druckkalibrator

Der DPI610E kombiniert Druckmessung und Druckerzeugung in einem portablen System.

Je nach Ausführung stehen unter anderem zur Verfügung:

• pneumatische Druck- und Vakuumerzeugung,
• hydraulische Druckerzeugung bis 1.000 bar,
• HART-Kommunikation,
• integrierte Kalibrierroutinen,
• Datenprotokollierung,
• optionale externe PM700E-Drucksensoren.

Bei Vor-Ort-Kalibrierungen ist die portable Bauform besonders hilfreich, weil das Referenzgerät häufig näher an die Höhe des Prüflings gebracht werden kann.

Druck DPI620G – modulares Kalibriersystem

Das DPI620G kombiniert elektrische, Temperatur-, Frequenz- und Druckkalibrierfunktionen.

Über:

• PM620-Druckmodule,
• MC620G Modulträger,
• PV62xG Druckerzeugungsstationen

kann ein modularer Druckkalibrierplatz für sehr unterschiedliche Messbereiche aufgebaut werden.

Das System eignet sich besonders für komplexe Vor-Ort-Kalibrierungen, bei denen neben dem Druck beispielsweise gleichzeitig:

• 4–20 mA,
• HART,
• Temperatur

erfasst beziehungsweise geprüft werden müssen.

Weitere Systeme finden Sie unter Kalibriertechnik bei ICS Schneider.

Fazit

Eine Höhendifferenz zwischen Druckreferenz und Prüfling erzeugt einen realen hydrostatischen Druckunterschied und kann bei präzisen Kalibrierungen nicht grundsätzlich ignoriert werden.

Die Grundgleichung ist einfach

Δp = ρ · g · Δh

Entscheidend sind jedoch die richtigen Eingangsgrößen und das richtige Vorzeichen.

Der tiefer liegende Punkt besitzt den höheren Druck

Liegt der Prüfling unterhalb der Referenz, ist sein Druck höher. Liegt er darüber, ist sein Druck niedriger.

Bei Flüssigkeiten ist der Effekt besonders groß

Mit Wasser erzeugt bereits ein Höhenunterschied von 10 cm ungefähr 9,8 mbar.

Auch Gase können relevant sein

Bei kleinen Messbereichen, großen Höhendifferenzen oder hohem Gasdruck kann die pneumatische Head Correction die Ziel-Messunsicherheit deutlich beeinflussen.

Bei Gasen muss der Absolutdruck berücksichtigt werden

Die Gasdichte nimmt mit dem Absolutdruck zu. Eine Luftdichte bei Atmosphärendruck darf deshalb nicht pauschal für Hochdruckkalibrierungen verwendet werden.

Die richtige Referenzebene ist entscheidend

Gemessen wird nicht einfach zwischen Gerätegehäusen, sondern zwischen den messtechnischen Druckreferenzebenen von Referenz und Prüfling.

Nur die vertikale Höhe zählt

Die Länge einer Druckleitung ist für die hydrostatische Head Correction nicht entscheidend.

Die Korrektur gehört zur Messunsicherheit

Auch Unsicherheiten von Höhe, Dichte, Temperatur und gegebenenfalls lokaler Gravitation müssen bei hohen Genauigkeitsanforderungen berücksichtigt werden.

Für die Praxis gilt

Referenz und Prüfling verbinden → Druckreferenzebenen bestimmen → vertikale Höhendifferenz messen → Medium und Dichte festlegen → bei Gasen Absolutdruck und Temperatur berücksichtigen → Head Correction berechnen → Vorzeichen anhand der Höhenlage prüfen → korrigierten Druck auf DUT-Ebene bestimmen → Unsicherheit der Korrektur bewerten → Prüfpunkte aufnehmen → Ergebnisse und Referenzebene im Kalibrierprotokoll dokumentieren.

FAQ: Head Correction bei der Druckkalibrierung

Was bedeutet Head Correction bei einer Druckkalibrierung?

Head Correction bezeichnet die Korrektur des hydrostatischen Druckunterschiedes, der durch eine vertikale Höhendifferenz zwischen Druckreferenz und Prüfling entsteht.

Warum haben zwei miteinander verbundene Druckmessgeräte unterschiedliche Drücke?

Wenn sie sich auf unterschiedlichen Höhen befinden, erzeugt das Gewicht der dazwischenliegenden Flüssigkeits- beziehungsweise Gassäule einen Druckgradienten.

Wie lautet die Formel für die Head Correction?

Für eine Flüssigkeit beziehungsweise näherungsweise bei kleinen Gas-Höhendifferenzen gilt Δp = ρ × g × Δh.

Welche Einheit hat die Höhendifferenz?

Bei Verwendung der SI-Gleichung wird die Höhe in Metern eingesetzt.

Welche Einheit hat die Dichte?

Die Dichte wird in kg/m³ eingesetzt.

Welche Erdbeschleunigung kann verwendet werden?

Für viele Berechnungen wird die Standardfallbeschleunigung von 9,80665 m/s² verwendet.

Welcher Punkt hat den höheren Druck?

Innerhalb derselben zusammenhängenden Fluidsäule besitzt der tiefer liegende Punkt den höheren Druck.

Was passiert, wenn der Prüfling unterhalb der Referenz liegt?

Der Druck am Prüfling ist um die hydrostatische Head Correction höher als an der höher gelegenen Referenz.

Was passiert, wenn der Prüfling oberhalb der Referenz liegt?

Der Druck am Prüfling ist entsprechend geringer.

Ist die Schlauchlänge für die Head Correction wichtig?

Nein. Entscheidend ist die vertikale Höhendifferenz zwischen den Referenzebenen und nicht die gesamte Schlauchlänge.

Wie groß ist der hydrostatische Druck von 1 m Wassersäule?

Bei Raumtemperatur sind es näherungsweise rund 98 mbar pro Meter.

Wie groß ist die Head Correction bei Hydrauliköl?

Bei einem Öl mit etwa 850 kg/m³ entstehen ungefähr 83 mbar pro Meter Höhendifferenz.

Ist die Head Correction bei Gasen vernachlässigbar?

Nicht grundsätzlich. Bei kleinen Messbereichen, großen Höhenunterschieden, hohem Absolutdruck oder sehr geringen Ziel-Messunsicherheiten kann sie relevant werden.

Warum steigt die Head Correction eines Gases mit dem Druck?

Weil die Gasdichte mit dem Absolutdruck zunimmt. Eine dichtere Gassäule erzeugt einen größeren hydrostatischen Druckgradienten.

Muss bei einem Relativdrucksensor für die Gasdichte trotzdem Absolutdruck verwendet werden?

Ja. Die physikalische Gasdichte hängt vom Absolutdruck ab und nicht vom angezeigten Relativdruck.

Welche Temperatur muss für die Dichte verwendet werden?

Möglichst die tatsächliche Temperatur des Druckmediums beziehungsweise eine geeignete mittlere Temperatur der relevanten Fluidsäule.

Ist die Dichte einer Flüssigkeit druckabhängig?

Flüssigkeiten sind vergleichsweise wenig kompressibel. Für viele industrielle Kalibrierungen kann ihre Dichte über den Druckbereich näherungsweise als konstant betrachtet werden. Bei höchsten Genauigkeitsanforderungen müssen jedoch auch Temperatur- und gegebenenfalls Druckabhängigkeit berücksichtigt werden.

Warum ist die Head Correction bei hydraulischen Kalibrierungen besonders wichtig?

Flüssigkeiten besitzen eine hohe Dichte. Dadurch können bereits wenige Zentimeter Höhendifferenz mehrere Millibar Druckunterschied erzeugen.

Welche Referenzhöhe muss am Druckcontroller verwendet werden?

Es sollte die vom Hersteller definierte Druckreferenzebene verwendet werden, beispielsweise die Mitte eines Messanschlusses oder eine ausdrücklich angegebene Referenzlinie.

Welche Referenzhöhe gilt beim Prüfling?

Idealerweise die vom Hersteller definierte Messebene beziehungsweise die Ebene der druckempfindlichen Membran oder des Prozessanschlusses.

Kann ich einfach die Unterkanten beider Geräte vergleichen?

Nein. Die Gehäuseabmessungen sind nicht automatisch mit den tatsächlichen Druckreferenzebenen identisch.

Kann ich die Head Correction durch Nullabgleich beseitigen?

Nicht zuverlässig. Besonders bei Gasen verändert sich die Head Correction mit dem Absolutdruck. Eine mathematische Korrektur auf die richtige Referenzebene ist daher vorzuziehen.

Muss die Head Correction im Kalibrierschein dokumentiert werden?

Wenn sie für das Ergebnis relevant ist, sollte die verwendete Referenzebene beziehungsweise die angewendete Korrektur nachvollziehbar dokumentiert werden.

Gehört die Head Correction in die Messunsicherheit?

Ja. Wenn die Korrektur relevant ist, sollten auch die Unsicherheiten ihrer Einflussgrößen wie Höhe und Dichte berücksichtigt werden.

Wie genau muss die Höhe gemessen werden?

Das hängt von Medium und Ziel-Messunsicherheit ab. Bei Flüssigkeiten kann bereits eine Unsicherheit von wenigen Millimetern messtechnisch relevant sein.

Spielt die lokale Gravitation eine Rolle?

Bei normalen industriellen Kalibrierungen ist die Standardfallbeschleunigung häufig ausreichend. Bei sehr hohen Genauigkeitsanforderungen kann ein lokaler g-Wert berücksichtigt werden.

Wie funktioniert die Head Correction bei Differenzdruck?

Die hydrostatischen Korrekturen der High- und Low-Pressure-Seite müssen getrennt betrachtet und anschließend in die resultierende Druckdifferenz einbezogen werden.

Können sich die Head Corrections bei Differenzdruck gegenseitig aufheben?

Ja, bei einem vollständig symmetrischen Aufbau mit identischen Medien, Höhen und Leitungsbedingungen können sich die Effekte weitgehend kompensieren.

Was passiert bei Luftblasen in einer hydraulischen Kalibrierleitung?

Sie verändern das dynamische Verhalten und können die effektive Fluidsäule beeinflussen. Hydraulische Systeme sollten deshalb sorgfältig entlüftet werden.

Welches Gerät eignet sich für hochpräzise stationäre Druckkalibrierungen?

Der Druck PACE5000E ist für hochpräzise Labor-, Prüfstands- und Produktionsanwendungen vorgesehen.

Welcher Druckkalibrator eignet sich für Vor-Ort-Kalibrierungen?

Der Druck DPI610E kombiniert portable Druckmessung und Druckerzeugung und eignet sich dadurch besonders für mobile Prüfaufgaben.

Welches modulare System eignet sich für Druck und elektrische Signale?

Das Druck DPI620G verbindet Druckkalibrierung mit elektrischen Mess- und Simulationsfunktionen sowie optionaler HART-Kommunikation.

Wo finde ich weitere Druckkalibriertechnik?

Weitere Lösungen finden Sie unter Kalibriertechnik bei ICS Schneider.