Ein Reifenfüllmanometer mit einem typischen Arbeitsbereich von wenigen bar soll überprüft werden. Als Referenz steht ein Digitalmanometer mit einem Messbereich bis 40 bar und einer Anzeigeauflösung von beispielsweise 0,001 bar zur Verfügung. Auf den ersten Blick scheint das ideal: Die Anzeige besitzt deutlich mehr Stellen als das zu prüfende Reifenfüllgerät. Bedeutet das automatisch, dass diese Referenz für die Prüfung ausreichend genau ist?
Nein. Die Auflösung der Anzeige ist nur eine Eigenschaft des Messgerätes. Für die Eignung als Referenz sind insbesondere Messbereich, Genauigkeitsspezifikation, Kalibrierunsicherheit, Stabilität und die geforderte Prüftoleranz entscheidend.
Besonders wichtig ist die Bezugsgröße der Genauigkeitsangabe. Ein Digitalmanometer kann beispielsweise mit einem Fehleranteil in Prozent vom Messbereichsendwert oder in Prozent vom aktuellen Messwert spezifiziert sein. Beide Angaben verhalten sich bei kleinen Prüfdrucken völlig unterschiedlich.
Für die Auswahl einer geeigneten Referenz gilt deshalb: Nicht die Zahl der Displaystellen entscheidet, sondern die tatsächlich erreichbare Messunsicherheit am jeweiligen Prüfpunkt. Der Referenzmessbereich sollte groß genug für die Prüfaufgabe sein, aber nicht unnötig groß gewählt werden.
Welche Aufgabe hat das Referenzmanometer?
Bei einer Vergleichsprüfung wird der Prüfling mit einem Messgerät verglichen, dessen Messwert als Referenz verwendet wird.
Vereinfacht:
Anzeige Prüfling ↔ Referenzdruck
Zeigt die Referenz beispielsweise:
2,000 bar
und das Reifenfüllmanometer:
2,06 bar
dann beträgt die beobachtete Anzeigeabweichung:
2,06 bar - 2,000 bar = +0,060 bar
Diese Rechnung ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn bekannt ist, wie zuverlässig die Referenz selbst den Wert von 2,000 bar bestimmt.
Auch ein Referenzmanometer besitzt eine Messabweichung und Messunsicherheit. Es liefert keinen mathematisch vollkommen exakten Druckwert.
Warum muss die Referenz zur Prüftoleranz passen?
Die Referenz muss so genau sein, dass eine sinnvolle Aussage über die Einhaltung der Prüftoleranz des Reifenfüllmessgerätes möglich ist.
Angenommen, ein Prüfling darf an einem bestimmten Prüfpunkt maximal:
±0,10 bar
abweichen.
Besitzt die verwendete Referenz selbst eine vergleichbar große Unsicherheit, kann nicht mehr eindeutig unterschieden werden, ob eine beobachtete Abweichung tatsächlich vom Prüfling oder zu einem relevanten Teil von der Referenz stammt.
Die Referenz sollte deshalb gegenüber der zulässigen Prüflingstoleranz ausreichend leistungsfähig sein.
Welches konkrete Verhältnis erforderlich ist, hängt vom angewendeten Prüf-, Kalibrier- und Qualitätsverfahren ab. Eine pauschale Regel sollte daher nicht ohne Prüfung der jeweiligen Anforderungen übernommen werden.
Warum ist der Messbereich der Referenz wichtig?
Ein häufiges Missverständnis lautet:
Je größer der Messbereich, desto universeller und damit besser.
Für die reine Druckabdeckung stimmt der erste Teil. Ein 40-bar-Manometer kann beispielsweise problemlos einen Prüfdruck von 2 bar erfassen.
Messtechnisch kann der große Bereich jedoch ungünstig sein, wenn die Genauigkeit teilweise oder vollständig auf den Messbereichsendwert bezogen ist.
Ein kleinerer Referenzbereich kann dann bei identischer relativer Full-Scale-Spezifikation einen deutlich kleineren absoluten Fehlerbeitrag besitzen.
Der Referenzbereich sollte deshalb:
- alle vorgesehenen Prüfpunkte sicher abdecken,
- ausreichende Reserve besitzen,
- aber nicht unnötig weit über dem tatsächlich benötigten Druckbereich liegen.
Was bedeutet eine Genauigkeitsangabe in % FS?
FS steht für Full Scale, also den Endwert des Messbereiches.
Bei einer Referenz von:
0 ... 10 bar
ist:
FS = 10 bar
Eine angenommene Genauigkeit von:
±0,05 % FS
würde einem absoluten Betrag von:
10 bar × 0,0005 = 0,005 bar
entsprechen.
Dieser Full-Scale-Anteil wird nicht kleiner, nur weil momentan lediglich 2 bar gemessen werden.
Bei einem Prüfdruck von 2 bar entspräche der angenommene Fehlerbeitrag von 0,005 bar bereits:
0,25 % des aktuellen Messwertes
Das zeigt, warum die Bezugsgröße einer Genauigkeitsangabe immer gelesen werden muss.
Was bedeutet % vom Messwert?
Bei einer Spezifikation in Prozent vom Messwert wird der Fehleranteil auf den tatsächlich gemessenen Druck bezogen.
Angenommen, die Referenz wäre spezifiziert mit:
±0,1 % vom Messwert
Bei:
2,000 bar
ergäbe dies:
2 bar × 0,001 = 0,002 bar
Bei:
5,000 bar
wären es dagegen:
0,005 bar
Der absolute Beitrag verändert sich also mit dem aktuellen Druck.
| Angabe | Bezugsgröße | Verhalten bei kleinem Druck |
|---|---|---|
% FS |
Messbereichsendwert | Absoluter Anteil bleibt vom Endwert abhängig |
% vom Messwert |
Aktueller Messwert | Absoluter Anteil wird bei kleinerem Druck kleiner |
| Kombinierte Angabe | Messwert + FS bzw. weitere Beiträge | Alle Anteile müssen berücksichtigt werden |
Beispiel: 10-bar- gegen 40-bar-Referenz
Das folgende Beispiel dient ausschließlich dazu, den Einfluss des Messbereiches zu verdeutlichen.
Angenommen, zwei Referenzmanometer hätten beide:
±0,05 % FS
| Referenzbereich | 0,05 % FS entsprechen |
|---|---|
0 ... 10 bar |
±0,005 bar |
0 ... 40 bar |
±0,020 bar |
Bei einem Prüfdruck von beispielsweise 2,5 bar wäre der Full-Scale-bedingte absolute Anteil des 40-bar-Gerätes damit viermal so groß wie beim 10-bar-Gerät.
Beide Referenzen könnten den Druck problemlos anzeigen. Messtechnisch wären sie unter diesen angenommenen Bedingungen jedoch nicht gleichwertig.
Genau deshalb sollte ein großer Referenzmessbereich nicht allein deshalb gewählt werden, weil er sämtliche denkbaren Prüfaufgaben abdeckt.
Warum ist Auflösung nicht gleich Genauigkeit?
Die Auflösung beschreibt, welche kleinste Änderung die Anzeige darstellen kann.
Zeigt ein Digitalmanometer beispielsweise:
2,347 bar
mit einer Schrittweite von:
0,001 bar
dann beträgt die Anzeigeauflösung 1 mbar.
Das bedeutet jedoch nicht:
Messfehler = ±0,001 bar
Das Gerät kann beispielsweise eine sehr feine Anzeige besitzen und trotzdem aufgrund von Sensorgenauigkeit, Kalibrierunsicherheit, Temperatur oder Langzeitstabilität eine größere Gesamtunsicherheit haben.
Eine hohe Auflösung ist hilfreich, weil kleine Druckänderungen sichtbar werden.
Sie ist aber kein Ersatz für eine ausreichend gute Messgenauigkeit.
Warum bedeutet 0,001 bar Einstellbarkeit nicht 0,001 bar Messunsicherheit?
Beim PRM-25 kann der Prüfdruck über Feinregler beziehungsweise Volumensteller sehr fein eingestellt werden.
Eine Einstellbarkeit bis auf beispielsweise:
0,001 bar
beschreibt zunächst, wie fein der Druck verändert beziehungsweise eingestellt werden kann.
Sie sagt nicht automatisch aus, mit welcher Unsicherheit der tatsächliche Druck bekannt ist.
Diese beiden Eigenschaften müssen getrennt werden:
| Eigenschaft | Fragestellung |
|---|---|
| Druckeinstellung | Wie fein kann ich den Prüfdruck verändern? |
| Anzeigeauflösung | Wie klein ist der sichtbare Anzeigeschritt? |
| Genauigkeit | Wie weit kann die Anzeige vom tatsächlichen Wert abweichen? |
| Messunsicherheit | Wie groß ist die Unsicherheit des vollständigen Messergebnisses? |
Ein Druck kann deshalb sehr fein eingestellt werden, ohne dass sein tatsächlicher Wert mit derselben Größenordnung bekannt ist.
Welche Beiträge gehören zur Messunsicherheit?
Für eine hochwertige Kalibrierung wird nicht nur ein einzelner Genauigkeitswert betrachtet.
Je nach Verfahren können unter anderem folgende Beiträge relevant sein:
- Kalibrierunsicherheit des Referenzmanometers,
- Genauigkeit beziehungsweise Spezifikation der Referenz,
- Langzeitstabilität,
- Auflösung,
- Nullpunktverhalten,
- Wiederholbarkeit,
- Temperaturabhängigkeit,
- Druckstabilität während der Ablesung,
- Ableseeinflüsse des Prüflings.
Bei analogen Reifenfüllmanometern können zusätzlich Skalenteilung, Zeigerbreite und Parallaxe Einfluss auf die Bestimmung des Prüflingswertes haben.
Die vollständige Unsicherheitsbetrachtung hängt vom angewendeten Kalibrierverfahren ab.
Wie genau sollte die Referenz gegenüber dem Prüfling sein?
In der Prüf- und Kalibrierpraxis wird häufig ein Verhältnis zwischen der zulässigen Prüflingstoleranz und der Unsicherheit des verwendeten Messsystems betrachtet.
Begriffe wie:
TAR– Test Accuracy Ratio oderTUR– Test Uncertainty Ratio
werden dafür verwendet.
Die konkrete geforderte Relation ist jedoch nicht für jede Prüfaufgabe identisch.
Sie kann durch:
- Normen,
- behördliche Anforderungen,
- interne Qualitätsrichtlinien,
- Kalibrierverfahren oder
- Entscheidungsregeln
festgelegt werden.
Deshalb sollte nicht pauschal ein bestimmtes Verhältnis angenommen werden.
Entscheidend ist, dass die Referenz ausreichend leistungsfähig ist, damit die geforderte Aussage über den Prüfling mit der notwendigen Sicherheit getroffen werden kann.
Was bedeutet messtechnische Rückführbarkeit?
Eine Referenz wird nicht allein dadurch zur geeigneten Kalibrierreferenz, dass sie laut Datenblatt sehr genau ist.
Für eine rückführbare Messung muss eine dokumentierte Kette von Kalibrierungen zu geeigneten nationalen beziehungsweise internationalen Bezugsnormalen bestehen.
Das Referenzmanometer benötigt deshalb eine geeignete Kalibrierung.
Ein Kalibrierzertifikat dokumentiert beispielsweise:
- identifiziertes Messgerät,
- Kalibrierpunkte,
- ermittelte Messabweichungen,
- zugehörige Messunsicherheiten,
- Kalibrierbedingungen.
Für die praktische Prüfung sollte außerdem sichergestellt sein, dass die Kalibrierung den tatsächlich verwendeten Druckbereich sinnvoll abdeckt.
Wie oft muss das Referenzmanometer kalibriert werden?
Ein universelles Kalibrierintervall für jedes Referenzmanometer existiert nicht.
Ein geeignetes Intervall hängt unter anderem ab von:
- Herstellerempfehlung,
- Häufigkeit der Verwendung,
- mechanischer Belastung,
- Überdruckereignissen,
- Umgebungsbedingungen,
- geforderter Messunsicherheit,
- historischer Stabilität des Gerätes.
Ein Referenzmanometer, das über mehrere Kalibrierzyklen nur sehr kleine Veränderungen zeigt, kann anders bewertet werden als ein Gerät, das häufig mechanisch belastet wird oder erkennbare Drift zeigt.
Das Kalibrierintervall sollte deshalb Teil des Qualitätsmanagements sein und anhand der tatsächlichen Stabilität überprüft werden.
Referenzbereich passend zu den Prüfpunkten auswählen
Für die Auswahl der Referenz sollte nicht nur der auf dem Prüfling aufgedruckte maximale Messbereich betrachtet werden.
Entscheidend ist, welche Prüfpunkte tatsächlich angefahren werden.
Wird ein Reifenfüllmessgerät beispielsweise hauptsächlich zwischen:
0 ... 4 bar
geprüft, ist ein Referenzbereich von mehreren hundert bar offensichtlich unnötig.
Andererseits muss die Referenz sämtliche vorgesehenen Prüf- und Vorbelastungspunkte sicher abdecken.
Die sinnvolle Auswahl lautet deshalb nicht:
kleinstmöglicher Messbereich um jeden Preis
sondern:
kleiner geeigneter Messbereich mit ausreichender Reserve
Praxisbeispiel: Reifenfüllgerät bis 4 bar
Ein Reifenfüllmessgerät wird regelmäßig im Bereich von:
0 ... 4 bar
verwendet.
Für die Prüfung stehen zwei Referenzen zur Verfügung:
- Referenz A:
0 ... 10 bar - Referenz B:
0 ... 40 bar
Beide Geräte besitzen ausreichend Messbereich.
Nun wird jedoch festgestellt, dass ein relevanter Teil der Spezifikation beider Referenzen auf den jeweiligen Endwert bezogen ist.
Dadurch besitzt Referenz A innerhalb des tatsächlich verwendeten Bereiches einen kleineren absoluten Full-Scale-Anteil.
Referenz A ist deshalb für diese konkrete Prüfaufgabe messtechnisch günstiger, sofern alle übrigen Anforderungen ebenfalls erfüllt sind.
Bei einem anderen Prüfling, der bis 25 bar geprüft werden muss, wäre die 10-bar-Referenz dagegen ungeeignet.
Das Beispiel zeigt: Es gibt nicht das grundsätzlich „beste“ Referenzmanometer. Die optimale Referenz hängt von der konkreten Prüfaufgabe ab.
Systematische Auswahl der Referenz
- Messbereich des Prüflings feststellen.
- Tatsächlich benötigte Prüfpunkte festlegen.
- Zulässige Prüflingstoleranz bestimmen.
- Verfügbare Referenzbereiche vergleichen.
- Genauigkeitsspezifikation vollständig lesen.
- % FS und % vom Messwert unterscheiden.
- Absolute Fehler- beziehungsweise Unsicherheitsbeiträge an den relevanten Prüfpunkten berechnen.
- Auflösung getrennt von Genauigkeit bewerten.
- Kalibrierzertifikat und Rückführbarkeit prüfen.
- Gültigkeit beziehungsweise internes Kalibrierintervall kontrollieren.
- Referenz mit ausreichender, aber nicht unnötig großer Druckreserve auswählen.
- Prüfaufbau auf Dichtheit und Stabilität kontrollieren.
- Ergebnisse einschließlich verwendeter Referenz dokumentieren.
Häufige Fehler
- Auflösung mit Genauigkeit verwechseln: Eine Anzeige in 0,001-bar-Schritten bedeutet nicht automatisch eine Messunsicherheit von 0,001 bar.
- Den größten verfügbaren Messbereich auswählen: Bei Full-Scale-Spezifikationen kann dies bei kleinen Drücken unnötig ungünstig sein.
- Nur die Prozentzahl betrachten: Ohne die Bezugsgröße FS oder Messwert ist eine Genauigkeitsangabe unvollständig.
- Fein einstellbaren Prüfdruck mit genauer Druckmessung gleichsetzen: Einstellbarkeit und Messunsicherheit sind unterschiedliche Eigenschaften.
- Nur das Datenblatt betrachten: Für rückführbare Prüfungen sind auch Kalibrierdaten und deren Unsicherheit relevant.
- Kalibrierzertifikat nur auf das Datum prüfen: Auch Messbereich, Prüfpunkte und Unsicherheit müssen zur Anwendung passen.
- Ein pauschales Referenz-Prüfling-Verhältnis anwenden: Die geforderte Relation hängt vom jeweiligen Verfahren ab.
- Referenzbereich zu klein wählen: Sämtliche Prüf- und Vorbelastungspunkte müssen sicher innerhalb des zulässigen Bereiches liegen.
- Referenz nach Überlastung ungeprüft weiterverwenden: Ein Überdruckereignis kann die metrologische Eignung beeinflussen.
- Stabilität des Prüfdruckes ignorieren: Auch eine sehr genaue Referenz liefert keinen sinnvollen Vergleich, wenn sich der Druck während der Ablesung verändert.
PRM-25 als komplette Referenzprüfeinrichtung
Der PRM-25 wurde speziell für die Prüfung beziehungsweise Kalibrierung von Reifenfüllmessgeräten in Werkstätten, Tankstellen und Prüfstellen entwickelt.
Als Referenz ist ein Präzisions-Digitalmanometer in den Prüfkoffer integriert.
Die aktuelle PRM-25-Ausführung ist mit einem Präzisions-Digitalmanometer Typ ADT681 ausgestattet. Für den Prüfkoffer stehen unterschiedliche Referenzmessbereiche zur Verfügung.
Dadurch kann die Referenz an die vorgesehene Prüfaufgabe angepasst werden, anstatt grundsätzlich einen maximal großen Druckbereich zu verwenden.
Zusätzlich verfügt der PRM-25 über eine integrierte Präzisions-Kalibrierhandpumpe zur Druckerzeugung bis 40 bar. Damit kann das System auch ohne externe Druckluftversorgung betrieben werden.
Ein integrierter Druckluftbehälter kann als Puffer beziehungsweise Druckluftspeicher verwendet werden. Über Feinregler und Volumensteller lässt sich der gewünschte Prüfdruck präzise anfahren.
Die Möglichkeit einer sehr feinen Druckeinstellung sollte dabei korrekt interpretiert werden: Sie erleichtert das reproduzierbare Anfahren eines Prüfpunktes, ersetzt aber nicht die Genauigkeits- und Unsicherheitsspezifikation des Referenzmanometers.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, zwei Reifenfüllmessgeräte gleichzeitig an denselben Prüfkreis anzuschließen.
Weitere Informationen finden Sie bei der PRM-25 Referenzprüfeinrichtung sowie unter Kalibrierkoffer / Prüfkoffer bei ICS Schneider.
Fazit
Ein Referenzmanometer für Reifenfüllmessgeräte sollte nicht allein anhand einer hohen Displayauflösung ausgewählt werden.
Entscheidend ist, wie genau der tatsächliche Prüfdruck an den relevanten Prüfpunkten bekannt ist.
Bei Genauigkeitsangaben in Prozent vom Messbereichsendwert kann ein unnötig großer Referenzmessbereich die absolute Messunsicherheit im typischen Reifenfülldruckbereich deutlich erhöhen.
Eine Prozent-vom-Messwert-Spezifikation verhält sich dagegen anders, weil sich der entsprechende absolute Beitrag mit dem aktuellen Druck verändert.
Auflösung, Druckeinstellbarkeit, Genauigkeit und Messunsicherheit müssen deshalb als unterschiedliche Eigenschaften betrachtet werden.
Hinzu kommen Kalibrierunsicherheit, Rückführbarkeit, Stabilität und ein zum Qualitätsverfahren passendes Kalibrierintervall.
Für die Auswahl einer geeigneten Referenz gilt deshalb: zuerst Prüftoleranz und tatsächliche Prüfpunkte festlegen, anschließend den kleinsten sinnvoll geeigneten Referenzmessbereich auswählen, die Genauigkeit am konkreten Prüfpunkt berechnen und erst dann beurteilen, ob die Referenz ausreichend leistungsfähig ist.
FAQ: Referenzmanometer für Reifenfüllmessgeräte
Welche Referenz eignet sich zur Prüfung eines Reifenfüllmanometers?
Die Referenz muss den benötigten Prüfdruck vollständig abdecken und gegenüber der zulässigen Prüflingstoleranz eine ausreichend kleine Messunsicherheit besitzen. Messbereich, Genauigkeit und Kalibrierunsicherheit müssen gemeinsam betrachtet werden.
Ist ein Digitalmanometer mit 0,001 bar Auflösung automatisch genau genug?
Nein. 0,001 bar beschreibt zunächst nur die Anzeigeauflösung. Die tatsächliche Genauigkeit beziehungsweise Messunsicherheit kann größer sein.
Warum ist ein zu großer Referenzmessbereich ungünstig?
Wenn relevante Fehleranteile auf Full Scale bezogen sind, erhöht ein größerer Messbereich den absoluten Fehlerbeitrag – auch wenn nur ein kleiner Druck gemessen wird.
Was bedeutet % FS?
FS steht für Full Scale, also den Messbereichsendwert. Eine Angabe von beispielsweise 0,05 % FS wird auf den Endwert des jeweiligen Messbereiches bezogen.
Was bedeutet % vom Messwert?
Hier wird der Fehleranteil auf den aktuell gemessenen Druck bezogen. Der absolute Beitrag wird daher bei kleineren Drücken ebenfalls kleiner.
Ist immer der kleinste verfügbare Messbereich die beste Referenz?
Nein. Der Messbereich muss alle vorgesehenen Prüfpunkte und gegebenenfalls notwendige Vorbelastungen sicher abdecken. Sinnvoll ist der kleinste ausreichend große Bereich mit angemessener Reserve.
Was ist der Unterschied zwischen Auflösung und Genauigkeit?
Die Auflösung beschreibt den kleinsten darstellbaren Anzeigeschritt. Die Genauigkeit beschreibt dagegen, wie stark der Messwert vom tatsächlichen Wert abweichen kann.
Warum bedeutet eine Druckeinstellung auf 0,001 bar nicht eine Messunsicherheit von 0,001 bar?
Die Feineinstellung beschreibt nur, wie klein eine Druckänderung eingestellt werden kann. Wie genau der tatsächliche Druck bekannt ist, wird durch Referenz, Kalibrierung und weitere Unsicherheitsbeiträge bestimmt.
Was bedeutet messtechnische Rückführbarkeit?
Die Messergebnisse der Referenz sind über eine dokumentierte Kalibrierkette auf geeignete nationale beziehungsweise internationale Bezugsnormale zurückgeführt.
Wie oft muss ein Referenzmanometer kalibriert werden?
Es gibt kein für jede Anwendung identisches Intervall. Herstellerempfehlung, Nutzung, historische Stabilität, Umgebungsbedingungen und geforderte Messunsicherheit müssen berücksichtigt werden.
Welche Messbereiche sind beim PRM-25 verfügbar?
Die aktuelle ICS-Produktbeschreibung nennt für die integrierte Referenz Ausführungen mit 6, 10, 16, 25 oder 40 bar.
Welche Referenz ist im PRM-25 eingebaut?
Die aktuelle PRM-25-Produktbeschreibung nennt ein eichfähiges Präzisions-Digitalmanometer vom Typ ADT681 als integrierte Referenz.
Kann man mit dem PRM-25 zwei Reifenfüllmessgeräte gleichzeitig prüfen?
Ja. Die Prüfeinrichtung ist dafür ausgelegt, zwei Reifenfüllmessgeräte gleichzeitig an denselben Prüfkreis anzuschließen.