Ein Durchflusstransmitter mit Radizierung kann am Messbereichsanfang und am Messbereichsende die richtigen Werte liefern und dazwischen trotzdem deutlich falsch anzeigen. Der Grund: Eine lineare Kennlinie, eine korrekt ausgeführte Quadratwurzelfunktion und eine versehentlich doppelte Radizierung stimmen bei 0 und 100 % überein. Eine reine Endpunktprüfung reicht deshalb nicht aus, um die Übertragung vom Differenzdruck zum Durchflusssignal zu beurteilen.
Für eine aussagekräftige Kalibrierung müssen Druckerfassung, Rechenfunktion und tatsächlicher Stromausgang unterscheidbar bleiben. Zusätzlich ist zu klären, ob die Radizierung im Transmitter, in einem separaten Signalumformer oder in der SPS erfolgt. Dieser Beitrag beschreibt einen Prüfablauf mit geeigneten Referenzen, berechneten Prüfpunkten, getrennter Fehlerbewertung und nachvollziehbarer Dokumentation. Im Mittelpunkt stehen Wirkdruck-Durchflussmessungen und elektrische Radizierbausteine mit 4 … 20 mA.
Inhaltsverzeichnis
- Prüfaufgabe und Grenzen der Kalibrierung festlegen
- Signalweg und Ort der Radizierung klären
- Die ideale Quadratwurzelkennlinie richtig berechnen
- Prüfpunkte nach Druck oder Durchfluss verteilen
- Die Aussage der einzelnen Prüfungen unterscheiden
- Konfiguration und vorgefundenen Zustand sichern
- Eine passende Druckreferenz auswählen
- Den pneumatischen Prüfaufbau herstellen
- Stromschleife und Kommunikation anschließen
- Stabilisierung und Messwerterfassung planen
- Die Eingangsstufe kalibrieren
- Den tatsächlichen Stromausgang getrennt prüfen
- Die Quadratwurzelfunktion separat verifizieren
- Gesamtkette und nachgelagerte Skalierung prüfen
- Schleichmengenunterdrückung und Dämpfung berücksichtigen
- Messabweichungen mit der richtigen Bezugsgröße bewerten
- Messunsicherheit durch die Radizierung fortpflanzen
- Toleranzentscheidung, Justierung und Abschlussprüfung trennen
- Typische Fehler systematisch unterscheiden
- Ergebnisse reproduzierbar dokumentieren
- Passende Kalibriertechnik von ICS Schneider
- Fazit: Jeder Prüfwert braucht einen eindeutigen Signalweg
- Häufige Fragen zur Kalibrierung mit Radizierung
1. Prüfaufgabe und Grenzen der Kalibrierung festlegen
Zuerst wird festgelegt, was den Eingang des Prüfobjekts bildet. Bei einem Differenzdrucktransmitter ist es ein physisch angelegter Druckunterschied zwischen Hoch- und Niederdruckseite. Bei einem separaten Radizierumformer kann es ein elektrisches Signal sein, beispielsweise ein zum Differenzdruck proportionaler Strom von 4 … 20 mA. Diese beiden Aufgaben benötigen unterschiedliche Referenzen und Anschlüsse.
Eine Druckkalibrierung des Transmitters mit Prüfung seines radizierten Ausgangs bestätigt die Übertragung vom angelegten Differenzdruck zum ausgegebenen Signal unter den dokumentierten Bedingungen. Sie erfasst keine Verschleißerscheinungen einer Messblende, keine fehlerhafte Einlaufstrecke und keine falsch angesetzte Betriebsdichte. Für einen Nachweis der vollständigen Durchflussmessung müssen auch das Primärelement, seine Einbaubedingungen und gegebenenfalls eine Durchflussreferenz berücksichtigt werden.
Der Prüfauftrag sollte deshalb Eingang, Ausgang, Messbereich, aktive Kennlinie und einzubeziehende Komponenten ausdrücklich benennen. Die Aussage „Durchfluss kalibriert“ ist ohne diese Angaben zu ungenau, wenn tatsächlich nur Strom in einen SPS-Eingang eingespeist wurde.
2. Signalweg und Ort der Radizierung klären
Bei einer typischen Wirkdruckmessung erfasst der Sensor zunächst den Differenzdruck. Die Elektronik bereitet den Messwert auf, ordnet ihn einem Bereich zu und berechnet daraus gegebenenfalls einen durchflussproportionalen Wert. Anschließend erzeugt die Ausgangsstufe den Strom. Die SPS kann diesen Strom wiederum skalieren, filtern und für Anzeige, Regelung oder Alarmierung verwenden.
Für den einfachen Messpfad muss die Umrechnung vom differenzdruckproportionalen zum durchflussproportionalen Wert genau einmal erfolgen. Gibt der Transmitter bereits ein durchflusslineares Stromsignal aus, verarbeitet die SPS dieses entsprechend linear. Gibt der Transmitter den Differenzdruck linear aus, übernimmt ein nachgeschalteter Baustein die Quadratwurzelbildung.
Die lokale Anzeige ist dabei kein sicherer Nachweis für die Kennlinie des Analogausgangs. Je nach Gerät lassen sich Anzeige und Stromsignal unterschiedlich konfigurieren. Auch digitale Variablen müssen nach Bedeutung, Einheit und Position im Signalweg identifiziert werden. Ein als PV bezeichneter Wert ist nicht bei jedem Gerät automatisch der Differenzdruck vor der Radizierung.
Die Grundlagen der Signalzuordnung erläutert ergänzend der Beitrag Radizierung im Differenzdrucktransmitter: 4–20-mA-Signal bei Wirkdruck-Durchfluss korrekt skalieren.
3. Die ideale Quadratwurzelkennlinie richtig berechnen
Für das folgende Prüfmodell gelten ein Differenzdruckanfang von null, eine positive Strömungsrichtung sowie konstante Dichte und unveränderte Durchflusskoeffizienten. Sonderfunktionen im unteren Bereich werden zunächst ausgeklammert. Mit dem normierten Differenzdruck x und dem normierten Durchfluss y gilt:
x = Δp / Δpmax
y = Q / Qmax = √x
Isoll = 4 mA + 16 mA · √x
Ein elektrischer Radizierbaustein erhält statt des Drucks häufig dessen lineares Stromabbild. Dann lautet die Normierung:
x = (Iein − 4 mA) / 16 mA
Die Quadratwurzel wird aus dieser dimensionslosen Größe gebildet. Wer direkt den Stromwert radiziert oder durch 20 mA statt durch die Spanne von 16 mA normiert, erhält eine andere Kennlinie. Bei 8 mA Eingang liegt x beispielsweise bei 0,25. Der durchflusslineare Ausgang muss deshalb 12 mA betragen.
Für einen angehobenen Messbereichsanfang, rückwärts gerichteten Durchfluss, Sonderkennlinien oder eine zusätzliche Dichtekompensation ist das tatsächliche Gerätemodell maßgeblich. Insbesondere darf die normierte Größe einer beliebig verschobenen Druckspanne nicht ungeprüft mit dem physikalischen Verhältnis Δp / Δpmax gleichgesetzt werden.
4. Prüfpunkte nach Druck oder Durchfluss verteilen
Für gleichmäßig verteilte Durchflusspunkte müssen die zugehörigen Differenzdrücke quadratisch verteilt werden. Ein Beispiel verwendet 0 … 100 mbar Differenzdruck, zugeordnet zu 0 … 100 m³/h, mit durchflusslinearem Ausgang von 4 … 20 mA. Die Durchflusswerte sind hier berechnete Zuordnungswerte; im Druckprüfaufbau fließt dafür kein entsprechender Volumenstrom.
| Durchfluss-Sollwert | Anzulegender Differenzdruck | Alternativer linearer Δp-Stromeingang | Idealer radizierter Stromausgang |
|---|---|---|---|
| 0 m³/h / 0 % | 0 mbar / 0 % | 4,00 mA | 4,00 mA |
| 25 m³/h / 25 % | 6,25 mbar / 6,25 % | 5,00 mA | 8,00 mA |
| 50 m³/h / 50 % | 25,00 mbar / 25 % | 8,00 mA | 12,00 mA |
| 75 m³/h / 75 % | 56,25 mbar / 56,25 % | 13,00 mA | 16,00 mA |
| 100 m³/h / 100 % | 100,00 mbar / 100 % | 20,00 mA | 20,00 mA |
Die dritte Spalte gilt für die Prüfung eines elektrischen Radizierbausteins oder des entsprechenden SPS-Pfads. Sie ist kein zusätzlich einzuspeisendes Signal an einem Drucktransmitter. Gleichmäßig verteilte Druckpunkte von 0, 25, 50, 75 und 100 mbar sind ebenfalls sinnvoll, insbesondere für die Druckmessstufe. Die idealen radizierten Ausgangswerte betragen dann gerundet 4,000; 12,000; 15,314; 17,856 und 20,000 mA.
Welche Folge verwendet wird, richtet sich nach Prüfziel und Kalibrierverfahren. Zusätzliche Punkte gehören an betriebswichtige Arbeitspunkte und in die Umgebung des Low-Flow-Cutoffs. Die Tabelle legt keine allgemeingültige Anzahl von Kalibrierpunkten fest. Für einen vereinbarten Nachweis nach DKD-R 6-1 sind auch dessen Verfahrensanforderungen einzuhalten.
5. Die Aussage der einzelnen Prüfungen unterscheiden
Die getrennte Prüfung soll die Ursache einer Abweichung eingrenzen. Dazu wird für jeden Prüfblock festgehalten, welche Stufen tatsächlich durchlaufen werden und welche überbrückt sind.
| Prüfblock | Referenz und beobachteter Wert | Aussage und Grenze |
|---|---|---|
| Druckeingang | Referenzdruck mit digitaler Druckvariable des Prüflings vergleichen | Bewertet die Druckerfassung; prüft den physischen Stromausgang nicht |
| Stromausgang | Feststrom vorgeben und tatsächlich fließenden Strom messen | Bewertet die Ausgangsstufe und den eingeschlossenen Schleifenabschnitt; prüft weder Drucksensor noch Radizierung |
| Rechenfunktion | Definierten oder ausgelesenen Eingangswert mit dem daraus berechneten digitalen Ausgang vergleichen | Verifiziert die zugängliche Signalverarbeitung; der genaue Einspeise- und Abgriffpunkt entscheidet über den Umfang |
| Radizierter Gerätepfad | Realen Druck beziehungsweise elektrischen Eingang anlegen und physischen Ausgang messen | Bewertet die zusammenwirkenden Eingangsstufen, Kennlinie und Ausgangsstufe |
| Nachgeschalteter Messpfad | Referenzstrom am festgelegten Übergabepunkt einspeisen und SPS-Wert prüfen | Bewertet die Kette ab dem Einspeisepunkt; ein überbrückter Transmitter bleibt außerhalb des Nachweises |
Nicht jedes Gerät bietet alle internen Variablen oder Simulationsfunktionen an. Wenn die Rechenfunktion nur zusammen mit dem Sensor geprüft werden kann, wird genau dieser Umfang dokumentiert. Auch gegensinnige Teilabweichungen sind möglich: Ein scheinbar gutes Gesamtergebnis kann Fehler einzelner Stufen verdecken.
6. Konfiguration und vorgefundenen Zustand sichern
Vor dem ersten Eingriff werden Messstellenkennzeichen, Gerätetyp, Seriennummer und relevante Softwarestände aufgenommen. Hinzu kommen Druckbereich, Durchflusszuordnung, Stromkennlinie, Variablenzuordnung, Dämpfung, Cutoff-Einstellungen, Ausgangsgrenzen und die Skalierung der nachgeschalteten Auswertung. Bei kompensierten Berechnungen gehören auch deren Parameter dazu.
Die erste Prüfreihe erfasst den vorgefundenen Zustand im festgelegten Prüfaufbau. Sie erfolgt vor einem Sensor-Trim, einem Stromabgleich oder einer Änderung der übertragungsrelevanten Einstellungen. Insbesondere sollte die Radizierung nicht bereits vor dieser As-found-Aufnahme abgeschaltet werden, nur weil sich eine lineare Kennlinie einfacher prüfen lässt.
Für die folgenden Teilprüfungen erforderliche Betriebsarten werden anschließend gezielt aktiviert und protokolliert. Der Prüfplan benennt, wann die normale Verarbeitung wiederhergestellt wird. Bei angeschlossener Anlage sind die Auswirkungen von Testströmen, simulierten Messwerten und ausgesetzten Alarmen vorher betrieblich abzustimmen. Die As-found-Angabe enthält außerdem, ob vor Ort oder nach Ausbau unter Laborbedingungen geprüft wurde.
7. Eine passende Druckreferenz auswählen
Die Druckreferenz muss zu den kleinsten relevanten Prüfpunkten passen. Ein großer maximaler Messbereich ist für eine kleine Differenzdruckspanne kein Qualitätsmerkmal. Entscheidend sind die Unsicherheit im tatsächlich verwendeten Bereich, Auflösung, Nullpunktverhalten, Temperaturabhängigkeit, Drift und das Druckübertragungsmedium.
Beim Beispiel mit 100 mbar Endwert entsprechen 10 % Durchfluss nur 1 mbar Differenzdruck. Soll dieser Bereich beurteilt werden, müssen Druckerzeugung und Referenz dort ausreichend stabil und empfindlich sein. Eine nur als Prozent des eigenen Endwerts spezifizierte Referenz kann bei stark eingeschränkter Nutzung ihrer Spanne unzureichend werden.
Zusätzlich sind Differenzdruckbereich und zulässiger statischer Druck zu unterscheiden. Eine Niederdruckreferenz mit zwei Druckanschlüssen ist nicht automatisch für hohen gemeinsamen Druck auf beiden Seiten geeignet. Ein Prüfaufbau mit atmosphärischer Niederdruckseite bildet einen anderen Betriebszustand ab als eine Prüfung unter hohem Leitungsdruck. Der mögliche statische Druckeinfluss des Prüflings muss entsprechend der Anwendung berücksichtigt werden.
8. Den pneumatischen Prüfaufbau herstellen
Für eine geeignete pneumatische Werkstattprüfung wird der Transmitter vom Prozess getrennt, drucklos gemacht und mit einem verträglichen Prüfmedium beaufschlagt. Die Druckquelle und die Referenz werden so angeschlossen, dass der Druck am Hochdruckanschluss des Prüflings nachvollziehbar bekannt ist. Der Niederdruckanschluss erhält die definierte Referenzbedingung, bei einer atmosphärischen Prüfung üblicherweise den Umgebungsdruck.
Bei Verwendung einer Differenzdruckreferenz müssen ihre beiden Anschlüsse denselben relevanten Druckbedingungen zugeordnet sein wie H und L des Prüflings. Eine über einen Ventilblock angeschlossene Messstelle benötigt außerdem eine eindeutige Ventilstellung. Ein offener Ausgleichspfad kann den aufgebauten Differenzdruck kurzschließen. Restdruck, eingeschlossene Flüssigkeit oder eine blockierte Niederdruckseite verändern den Prüfzustand.
Kurze, geeignete Leitungen und dichte Verbindungen erleichtern die Stabilisierung. Unterschiedliche Druckbezugshöhen sind zu minimieren oder zu korrigieren. Gerade eine Flüssigkeitssäule in einer vermeintlich trockenen Leitung kann einen relevanten Offset erzeugen. Vor der Messreihe wird die Dichtheit geprüft; alle Komponenten müssen für Druck, Medium und die jeweilige Anschlussbelastung geeignet sein.
9. Stromschleife und Kommunikation anschließen
Für einen Zweileitertransmitter werden eine geeignete Schleifenspeisung und eine kalibrierte Strommessung benötigt. Der Strommesser liegt im vorgesehenen Strompfad. Wenn bereits eine externe Versorgung verwendet wird, darf die interne Schleifenspeisung des Kalibrators nicht unbeabsichtigt zusätzlich zugeschaltet werden. Zulässige Bürde, Leitungswiderstände und die Mindestspannung am Transmitter sind auch bei hohem Ausgangsstrom zu berücksichtigen.
Bei HART kommt eine zur Geräteausführung passende Kommunikationslösung hinzu. Erforderliche Schleifenimpedanz und vorhandene Widerstände werden anhand des Anschlusskonzepts geprüft. Ein integrierter HART-Widerstand ist dabei noch kein HART-Kommunikator. Die Kommunikation muss die benötigten Variablen und Methoden des konkreten Prüflings unterstützen.
Für elektrische Eingangsprüfungen wird zwischen aktivem Stromgeben und der Simulation eines fremdgespeisten Zweileitergeräts unterschieden. Der angeschlossene Eingang bestimmt die passende Betriebsart. Wird statt des Transmitters ein Kalibrator angeschlossen, beginnt der Nachweis an diesem Einspeisepunkt. Weitere Anschlussdetails behandelt der Beitrag 2-Leiter-Transmitter mit Prozesskalibrator prüfen.
10. Stabilisierung und Messwerterfassung planen
Nach dem Einschalten und nach Druckänderungen müssen Referenz und Prüfling einen geeigneten stabilen Zustand erreichen. Dazu gehören die gerätespezifische Aufwärmzeit, Temperaturangleichung, die Beruhigung des Drucksystems und die eingestellte Signalfilterung. Eine feste kurze Wartezeit ist für unterschiedliche Druckvolumina und Dämpfungen nicht automatisch ausreichend.
Vorbelastung, Messreihenfolge, Haltezeiten und Wiederholungen werden aus dem gewählten Kalibrierverfahren abgeleitet. Steigende und fallende Folgen ermöglichen die Beurteilung von Umkehrverhalten und Hysterese. Die Messwerte sollten über ein festgelegtes Beobachtungsfenster hinreichend stabil sein; das Akzeptanzkriterium richtet sich nach der benötigten Unsicherheit.
Für die Auswertung zählt der tatsächlich gemessene Referenzdruck, nicht nur der Sollwert am Druckregler. Druck, digitaler Gerätewert und Strom werden zeitlich passend erfasst. Andernfalls kann ein langsam driftender Druck zusammen mit verzögert abgefragten Werten eine scheinbare Kennlinienabweichung erzeugen. Ein ruhiges Display allein beweist noch keine ausreichende Stabilität des gesamten Aufbaus.
11. Die Eingangsstufe kalibrieren
Für die getrennte Druckprüfung wird der Referenzdruck mit einer zugänglichen digitalen Druckvariable des Transmitters verglichen. Diese Variable muss zur Druckerfassung gehören und darf nicht bereits als Durchfluss skaliert sein. Ihre Einheit, Auflösung und Aktualisierung werden im Prüfprotokoll festgehalten.
Die Druckabweichung ergibt sich aus dem vom Prüfling gemeldeten Differenzdruck abzüglich des Referenzwerts. Gleichmäßig verteilte Druckpunkte erleichtern die Beurteilung von Nullpunkt, Spanne und Verlauf. Die Druckreferenz benötigt gegebenenfalls eine Korrektur auf die Bezugsebene des Prüflings.
Ist kein geeigneter digitaler Druckwert verfügbar, kann eine vom Hersteller vorgesehene lineare Ausgangskonfiguration bei der Diagnose helfen. Voraussetzung sind eine bereits erfasste As-found-Reihe und eine separat bewertete Stromausgangsstufe. Ohne diese Trennung enthält auch das lineare Ergebnis weiterhin die Ausgangsabweichung. Anschließend wird die vorgesehene Betriebskennlinie wiederhergestellt.
Bei einem elektrischen Radizierumformer ersetzt die kalibrierte Stromquelle die Druckreferenz. Ein interner Eingangswert lässt sich nur dann separat bewerten, wenn das Gerät ihn zugänglich macht. Andernfalls wird die elektrische Eingangsverarbeitung zusammen mit der folgenden Rechenfunktion geprüft.
12. Den tatsächlichen Stromausgang getrennt prüfen
Ein vom Hersteller vorgesehener Loop-Test kann die Ausgangsstufe auf einen festen Strom setzen. Praktische Prüfpunkte sind beispielsweise 4, 12 und 20 mA, ergänzt um weitere Werte entsprechend dem Prüfauftrag. Der angeforderte Strom wird mit der kalibrierten Strommessung verglichen.
Der Drucksensor bestimmt den Ausgang in diesem Betriebszustand nicht. Deshalb lässt sich eine Abweichung der realen Stromausgabe von einer falschen Druckerfassung unterscheiden. Bleibt die Abweichung nur bei hohen Strömen bestehen, sind neben der Ausgangsstufe auch Versorgungsspannung und Bürde zu prüfen.
Der digital ausgelesene HART-Ausgangswert ist häufig nur die interne Darstellung des berechneten Stromsollwerts. Er ersetzt keine physische Strommessung. Beispielsweise kann das Gerät digital 12,000 mA melden, während im Stromkreis ein anderer Wert fließt. Für den Vergleich muss klar sein, ob der Kalibrator einen vom Transmitter gemeldeten Wert oder einen selbst gemessenen Strom anzeigt.
Nach dem Ausgangstest wird die Feststromfunktion beendet und die Rückkehr zur messwertabhängigen Ausgabe kontrolliert. Ein vergessener Testmodus kann sonst eine scheinbar stabile, aber vom Eingang entkoppelte Messstelle hinterlassen.
13. Die Quadratwurzelfunktion separat verifizieren
Die Rechenfunktion lässt sich am eindeutigsten prüfen, wenn das Gerät einen definierten Eingangswert vor der Radizierung simulieren und den berechneten Wert vor der Analogausgabe bereitstellen kann. Der Einspeisepunkt muss im Handbuch belegt sein: Ein erzwungener Ausgangsstrom umgeht die Wurzelberechnung und eignet sich dafür nicht.
Wenn keine entsprechende Simulation verfügbar ist, können der ausgelesene Druckwert und der daraus berechnete digitale Ausgang verglichen werden. Im Beispiel muss ein interner Druckwert von 25,00 mbar bei 100 mbar Endwert außerhalb des Cutoff-Bereichs zu 50 % beziehungsweise zum Stromsollwert 12,00 mA führen. Damit wird die rechnerische Konsistenz des zugänglichen Pfads geprüft. Ob der Druckwert selbst richtig ist, beantwortet weiterhin der Vergleich mit der Druckreferenz.
Für einen separaten elektrischen Radizierbaustein werden beispielsweise 4, 5, 8, 13 und 20 mA eingespeist. Die idealen Ausgänge lauten 4, 8, 12, 16 und 20 mA. Fehlen digitale Zwischenwerte, umfasst dieser Test zusätzlich die elektrische Eingangs- und Ausgangsumsetzung. Das Ergebnis wird entsprechend als Prüfung des gesamten Bausteins bezeichnet.
Bei Kalibratoren mit einer Funktion „Durchfluss“ oder „Flow“ muss die Bedeutung der Prozentanzeige geklärt werden. 50 % kann je nach Betriebsart 12 mA als durchflusslineares Signal oder 8 mA als zugehöriges differenzdrucklineares Signal bedeuten. Im Prüfplan stehen deshalb immer die tatsächlichen mA-Sollwerte.
Eine aktivierte SQRT-Analyse im Kalibrator kann dagegen lediglich die Sollwertberechnung für den Vergleich mit dem Prüfling festlegen. Sie stellt dann keine zusätzliche Radizierung im Prozesssignal dar. Zu unterscheiden sind die Kennlinie des erzeugten Prüfsignals und die Rechenfunktion, mit der der Kalibrator das Ergebnis bewertet.
14. Gesamtkette und nachgelagerte Skalierung prüfen
Die Prüfung des radizierten Gerätepfads verbindet den realen Eingang wieder mit dem physischen Ausgang. Im Beispiel werden die Druckpunkte angefahren und der Ausgangsstrom mit dem aus dem gemessenen Referenzdruck berechneten Sollwert verglichen. Falls die Messkette bis zur SPS zum Auftrag gehört, werden deren Rohwert, skalierter Durchfluss und angezeigter Wert ebenfalls aufgenommen.
Ein besonders aussagekräftiger Zwischenpunkt ist 25 % Differenzdruck. Daraus entstehen ideal 50 % Durchfluss. Fehlt die Radizierung vollständig, zeigt eine entsprechend linear skalierte Auswertung nur 25 % an. Wird zweimal radiziert, entstehen ungefähr 70,71 %. Diese Werte sind Diagnosehinweise für das einfache normierte Modell; zusätzliche Skalierungsfehler können das Muster verändern.
Zur getrennten SPS-Prüfung wird der Strom am vereinbarten Übergabepunkt eingespeist. Erwartet die SPS bereits ein durchflusslineares Signal, entspricht 12 mA dem halben Durchflussbereich. Erwartet sie ein differenzdrucklineares Signal und radiziert selbst, entsprechen dafür 8 mA dem halben Durchflussbereich. Der Test muss genau die im Betrieb vorgesehene Schnittstelle nachbilden.
15. Schleichmengenunterdrückung und Dämpfung berücksichtigen
Nahe null steigt die Empfindlichkeit der Quadratwurzelfunktion stark an. Viele Geräte verwenden deshalb eine Schleichmengenunterdrückung, einen linearen Übergangsbereich oder eine Kombination mit Hysterese. In diesem Abschnitt gilt nicht überall die ideale Gleichung I = 4 mA + 16 mA · √x.
Vor der Prüfung werden Schwellenwert, Bezugsgröße und Verhalten unterhalb der Schwelle geklärt. Eine Angabe von 1 % Differenzdruck entspricht im idealen Modell 10 % Durchfluss. Eine Einstellung von 1 % Durchfluss hat eine andere Bedeutung. Auch ist zu prüfen, ob die Funktion auf den Analogausgang, die Anzeige oder beide Pfade wirkt.
Die Messreihe enthält Werte unterhalb, oberhalb und gegebenenfalls innerhalb des Übergangsbereichs. Bei vorhandener Hysterese wird die Grenze aus beiden Richtungen angefahren. Bewertet wird gegen die dokumentierte Gerätefunktion. Ein konfigurationsgemäß auf null gesetzter Durchfluss ist kein Beleg für eine fehlerhafte Radizierung.
Für eine zusätzliche Prüfung der idealen Kennlinie kann die Unterdrückung in einem dokumentierten Diagnosezustand verändert werden. Die Abschlussprüfung erfolgt mit den vorgesehenen Betriebseinstellungen. Dämpfung wird gesondert betrachtet: Sie beeinflusst das Einschwingverhalten und kann bei zu früher Ablesung eine scheinbare statische Abweichung verursachen.
16. Messabweichungen mit der richtigen Bezugsgröße bewerten
Für die Druckstufe wird die Abweichung in einer Druckeinheit oder bezogen auf die festgelegte Druckspanne angegeben. Für den radizierten Ausgang gilt bei einem durchflusslinearen 4 … 20-mA-Signal:
eI = Igemessen − Isoll
eQ,Spanne = eI / 16 mA · 100 %
Bei 25,00 mbar Referenzdruck beträgt der Sollstrom im Beispiel 12,000 mA. Werden 12,032 mA gemessen, ergibt sich eine Abweichung von +0,032 mA beziehungsweise +0,2 % der Durchflussspanne. Bei 0 … 100 m³/h entspricht dies +0,2 m³/h und am Arbeitspunkt 50 m³/h einer relativen Abweichung von +0,4 %.
Die relative Durchflussabweichung wird hier auf den nutzbaren Signalanteil Isoll − 4 mA bezogen. Eine Division durch den gesamten Stromwert oder durch 20 mA beschreibt eine andere Bezugsgröße. Am Durchflussnullpunkt ist eine relative Abweichung zum Durchflusswert nicht definiert; dort werden absolute Größen oder Anteile der Spanne verwendet.
Aus einer zulässigen Druckabweichung darf außerdem keine unveränderte prozentuale Durchflusstoleranz abgeleitet werden. Die Umrechnung hängt vom Arbeitspunkt und von der tatsächlich aktiven Kennlinie ab.
17. Messunsicherheit durch die Radizierung fortpflanzen
Für die Unsicherheit der ermittelten Ausgangsabweichung sind mindestens die Druckreferenz, die Strommessung und die Wiederholbarkeit des Prüfablaufs zu betrachten. Weitere Beiträge können Druckstabilität, Referenzdrift, Auflösung, Temperatur und eine Korrektur der Druckbezugshöhe sein. Beiträge, die bereits in einer beobachteten Streuung oder in einer zusammengefassten Referenzunsicherheit enthalten sind, werden nicht nochmals addiert.
Im idealen Wurzelbereich ergibt sich aus der Kennlinie der Empfindlichkeitskoeffizient gegenüber dem Differenzdruck:
cp = ∂Isoll / ∂Δp = 8 mA / √(Δpmax · Δp)
Bei 100 mbar Endwert beträgt dieser Faktor am Prüfpunkt 25 mbar noch 0,16 mA/mbar. Am Prüfpunkt 1 mbar sind es 0,8 mA/mbar. Derselbe Druckunsicherheitsbeitrag wirkt dort also fünfmal stärker auf den berechneten Sollstrom.
Ein vereinfachtes Zahlenbeispiel nimmt am Prüfpunkt 1 mbar folgende voneinander unabhängige Standardunsicherheiten an: up = 0,010 mbar für den angelegten Referenzdruck, uI = 0,003 mA für die Strommessung und ur = 0,002 mA für einen zusätzlich erfassten Wiederholbarkeitsbeitrag. Diese Werte sind frei gewählte Rechenannahmen und keine Spezifikation eines genannten Produkts.
uc(eI) = √[(cp · up)² + uI² + ur²]
uc(eI) ≈ 0,00877 mA
U = 2 · uc ≈ 0,0175 mA
Mit dem hier gewählten Erweiterungsfaktor k = 2 entspricht dies rund 0,11 % der Durchflussspanne. Da 1 mbar im Beispiel nur 10 % Durchfluss darstellt, sind es relativ zu diesem Durchflusswert rund 1,10 %. Die tatsächliche Gesamtunsicherheit benötigt das vollständige Modell des eigenen Prüfaufbaus; mögliche Korrelationen und weitere relevante Beiträge sind darin zu berücksichtigen.
Am Nullpunkt ist diese Ableitung nicht anwendbar. Auch an Cutoff-Grenzen oder bei einer Druckunsicherheit, die im Verhältnis zum Eingang groß ist, reicht die lineare Näherung möglicherweise nicht aus. Dann muss die tatsächliche abschnittsweise Kennlinie mit einer geeigneten nichtlinearen Unsicherheitsauswertung bewertet werden.
18. Toleranzentscheidung, Justierung und Abschlussprüfung trennen
Eine Kalibrierung ermittelt die Beziehung zwischen Referenz und Anzeige einschließlich der Unsicherheit. Eine Justierung verändert das Gerät. Das Einstellen von Messbereich, Radizierung oder Dämpfung ist wiederum eine Konfigurationsänderung. Diese Vorgänge werden auch dann getrennt dokumentiert, wenn die Gerätesoftware dafür ähnliche Menübezeichnungen verwendet.
Vor der Bewertung werden zulässige Abweichung, Bezugsgröße und Entscheidungsregel festgelegt. Für eine symmetrische Toleranz ±T kann beispielsweise vereinbart werden, dass ein Ergebnis nur dann angenommen wird, wenn |e| + U ≤ T gilt. Diese Annahmeregel mit Schutzabstand ist eine mögliche Vereinbarung, keine universell vorgeschriebene Regel. Ist ihre Annahmebedingung nicht erfüllt, richtet sich die weitere Einstufung nach der vollständig vereinbarten Entscheidungsregel.
Ein erforderlicher Sensor-Trim wird gegen eine geeignete Druckreferenz durchgeführt. Ein Analog- oder DAC-Trim korrigiert die Stromausgabe anhand der Stromreferenz. Eine falsche Druckspanne oder doppelte Radizierung wird durch eine Korrektur der betreffenden Konfiguration behoben. Der Eingriff muss zur nachgewiesenen Ursache passen.
Danach folgt die As-left-Prüfung über den vorgesehenen Umfang, einschließlich relevanter Zwischenpunkte und Sonderbereiche. Abschließend werden Betriebseinstellungen, Variablenzuordnung und die normale messwertabhängige Ausgabe kontrolliert. Justierte Endpunkte allein bestätigen noch nicht die Kennlinie zwischen diesen Punkten.
Vor der Rückgabe an den Betrieb werden auch Simulationen und erzwungene SPS-Werte aufgehoben. Vorübergehend ausgesetzte Alarm- und Schutzfunktionen werden nach dem betrieblichen Freigabeverfahren wieder aktiviert.
19. Typische Fehler systematisch unterscheiden
Die folgende Übersicht verwendet das einfache Modell mit nullbasiertem Druckbereich. Beobachtungen liefern zunächst einen Prüfhinweis. Die Ursache wird anschließend durch den passenden Teiltest bestätigt.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| 0 und 100 % stimmen, bei 25 % Δp werden nur 25 % Durchfluss angezeigt | Radizierung fehlt im vorgesehenen Signalpfad | Kennlinie des Transmitters und Verarbeitung im nachgeschalteten System prüfen |
| Bei 25 % Δp erscheinen etwa 70,71 % Durchfluss | Zweifache Radizierung | Digitale Zwischenwerte, Stromkennlinie und SPS-Funktion getrennt vergleichen |
| Digitaler Druckwert stimmt, physischer Ausgangsstrom weicht auch beim Feststromtest ab | Ausgangsabgleich, Versorgung oder Bürde | Stromreferenz, Schleifenspannung und Ausgangsstufe prüfen |
| Stromausgang besteht den Feststromtest, digitaler Druckwert weicht ab | Druckerfassung, Nullpunkt, Prüfaufbau oder statischer Druckeinfluss | Referenzdruck und Druckbezugsebene prüfen; danach Eingangsstufe bewerten |
| Nur kleine Durchflusswerte bleiben null oder folgen einer anderen Kennlinie | Cutoff, linearer Übergang oder falsche Schwelleninterpretation | Tatsächliche Sonderkennlinie und deren Bezugsgröße auslesen |
| Steigende und fallende Werte unterscheiden sich; bei längerer Wartezeit schrumpft der Unterschied | Dämpfung, unzureichende Stabilisierung oder dynamischer Druckausgleich | Haltezeit und zeitliche Zuordnung prüfen; verbleibende Hysterese getrennt beurteilen |
| Kalibrator zeigt plausible Prozentwerte, die mA-Sollwerte passen nicht | Unpassender linearer oder durchflussbezogener Kalibratormodus | Normierung und tatsächlich gemessene beziehungsweise ausgegebene mA-Werte kontrollieren |
| Geräteausgang stimmt, Anzeige im Leitsystem weicht ab | Eingangskarte, Skalierung, zusätzliche Rechenfunktion oder Filterung | Referenzstrom am definierten Übergabepunkt einspeisen und nachgeschalteten Pfad prüfen |
20. Ergebnisse reproduzierbar dokumentieren
Ein nachvollziehbarer Nachweis enthält mehr als eine Liste aus Sollstrom und Iststrom. Er beschreibt zunächst das Prüfobjekt und den geprüften Signalweg. Dazu gehören Einheiten, Druck- und Durchflussbereich, Ort der Radizierung, Variablenzuordnung, aktive Sonderkennlinien und der Umfang der einbezogenen Messkette.
Für jeden Prüfpunkt werden Referenzeingang, beobachtete digitale Werte, tatsächlich gemessener Ausgang, berechneter Sollwert, Abweichung und Unsicherheit erfasst. Anfahrrichtung, Wiederholung und gegebenenfalls das Stabilisierungskriterium machen Unterschiede zwischen Messreihen nachvollziehbar. Bei elektrischer Simulation wird der Einspeisepunkt dokumentiert.
Zum Aufbau gehören Druckmedium, Bezugsebenen, Einbaulage, relevante Umgebungsbedingungen, statischer Prüfdruck, Schleifenversorgung und Bürde. Referenzgeräte werden mit Identifikation und den für Druck beziehungsweise Strom verwendeten Kalibriernachweisen zugeordnet. Rückführbarkeit und Unsicherheit müssen zu den tatsächlich verwendeten Kanälen und Bereichen passen.
As-found-Ergebnisse, durchgeführte Eingriffe und As-left-Ergebnisse bleiben unterscheidbar. Der Bericht nennt die angewandte Toleranz und Entscheidungsregel sowie Einschränkungen, etwa eine nicht erfasste Abhängigkeit vom Betriebsdruck. Automatisierte Prüfvorlagen benötigen außerdem eine kontrollierte Zuordnung von Kennlinie, Prozentbasis und Gerätekonfiguration, damit ein gespeicherter Ablauf beim nächsten Gerät nicht mit falschen Sollwerten startet.
21. Passende Kalibriertechnik von ICS Schneider
Druck DPI620G: modularer Aufbau für Druck, Strom und Kommunikation
Der Druck DPI620 GENII kombiniert elektrische Mess- und Gebefunktionen mit einem modular erweiterbaren Drucksystem. Je nach Ausführung steht HART-Kommunikation zur Verfügung. Damit lässt sich ein Aufbau für den Vergleich von Referenzdruck, digitalem Gerätewert und tatsächlichem Ausgangsstrom zusammenstellen. Die verfügbaren HART-Methoden hängen auch vom angeschlossenen Transmitter ab.
Für kleine Differenzdruckspannen sind passende Druckmodule und eine fein regelbare Druckerzeugung entscheidend. Das Niederdruckzubehör IO624-LPA ergänzt hierfür ein System aus PV624, DPI620G und geeigneter Referenz. Es ist allein kein vollständiger Kalibrator. Bei den speziellen PM620LP-Modulen nennt das Herstellerdatenblatt einen maximalen statischen Druck von 250 mbarg. Dieser Wert ist modulspezifisch und begrenzt die zulässige gemeinsame Druckbelastung.
Druck DPI610E: mobile Druckprüfung mit HART-Funktionen
Die Druckkalibratoren DPI610E und DPI610E-IS unterstützen mobile Druck- und elektrische Prüfaufgaben. Die HART-Funktionen ermöglichen unter anderem einen Loop-Test und den Vergleich digital gemeldeter Werte mit dem tatsächlich gemessenen Schleifenstrom. Das passt zur getrennten Bewertung von Eingangsstufe und Stromausgabe. Für die konkrete Differenzdruckprüfung müssen Referenzbereich, Unsicherheit und Druckanschaltung zur Messaufgabe passen; die Gerätebezeichnung allein belegt keine Eignung für jede Niederdruckspanne oder jeden statischen Prüfdruck.
Druck UPS4E: elektrische Teilprüfung und definierte Stromvorgaben
Der Stromschleifen-Kalibrator Druck UPS4E eignet sich zum Messen und Vorgeben von Stromsignalen sowie für die Prüfung eines elektrischen Radizierbausteins oder des nachgeschalteten SPS-Eingangs. Lineare und durchflussbezogene Darstellungen unterstützen passende Prüfabläufe, verlangen aber eine eindeutige Festlegung der Prozentbasis. Die dokumentierte durchflussbezogene Folge 0, 25, 50, 75 und 100 % verwendet 4, 5, 8, 13 und 20 mA als differenzdrucklineares Eingangsabbild.
Der UPS4E erzeugt keinen Prüfdruck. Sein integrierter, zuschaltbarer 250-Ω-HART-Widerstand unterstützt eine geeignete externe Kommunikation, ersetzt aber keinen HART-Kommunikator. Für die Auswahl sind deshalb benötigte Strombetriebsart, Schleifenspeisung, Genauigkeit und die Aufgabenverteilung mit dem Druckkalibrator maßgeblich.
22. Fazit: Jeder Prüfwert braucht einen eindeutigen Signalweg
Durchflusstransmitter mit Radizierung lassen sich zuverlässig beurteilen, wenn die Prüfung das physische Eingangssignal, die mathematische Übertragung und den realen Ausgang getrennt sichtbar macht. Dafür sind geeignete Zwischenpunkte unverzichtbar. Ein Feststromtest bewertet einen anderen Abschnitt als eine Druckkalibrierung; die Berechnung aus digitalen Zwischenwerten beantwortet wiederum eine eigene Diagnosefrage.
Die größte messtechnische Herausforderung liegt häufig im unteren Durchflussbereich. Dort wird ein kleiner Differenzdruck wirksam, die Wurzelfunktion erhöht die Empfindlichkeit gegenüber Druckunsicherheit und eine Sonderkennlinie kann das Sollverhalten verändern. Referenz, Prüfpunktfolge und Auswertung müssen diese Zusammenhänge gemeinsam abbilden.
Signalweg klären → Ausgangszustand sichern → Referenzen und Prüfpunkte festlegen → Eingang, Rechenfunktion und Ausgang getrennt prüfen → Gesamtkette bewerten → Eingriffe und Endzustand dokumentieren
Der wichtigste praktische Grundsatz lautet damit: Ein bestandener Prüfpunkt ist nur dann aussagekräftig, wenn bekannt ist, welches Eingangssignal angelegt wurde, welche Funktion aktiv war und welcher Ausgang tatsächlich gemessen wurde.
23. Häufige Fragen zur Kalibrierung mit Radizierung
23.1 Reichen 4 und 20 mA als Prüfpunkte aus?
Für die Beurteilung der Quadratwurzelfunktion reichen die Endpunkte nicht aus. Im idealen normierten Modell stimmen lineare, einfach radizierte und doppelt radizierte Kennlinien bei 0 und 100 % überein. Zwischenpunkte müssen Bestandteil des entsprechenden Funktionsnachweises sein.
23.2 Welcher Differenzdruck gehört zu 12 mA?
Bei einem durchflusslinearen Ausgang von 4 … 20 mA stehen 12 mA für 50 % Durchfluss. Im nullbasierten idealen Modell gehören dazu 25 % Differenzdruck. Bei einem Bereich von 0 … 100 mbar sind das 25 mbar. Für andere Kennlinien oder Ausgangszuordnungen ist gesondert zu rechnen.
23.3 Warum können 8 mA Eingang zu 12 mA Ausgang führen?
Ein differenzdrucklinearer Eingang von 8 mA entspricht nach Abzug des 4-mA-Offsets 25 % der Eingangsspanne. Die Quadratwurzel daraus beträgt 50 %. Auf den Ausgangsbereich übertragen ergeben sich 4 mA plus 50 % von 16 mA, also 12 mA.
23.4 Sind gleichmäßige Druckschritte falsch?
Sie sind für die Prüfung der Druckmessstufe und auch für eine Kennlinienprüfung verwendbar. Die erwarteten Ausgangswerte müssen jedoch radiziert berechnet werden. Gleichmäßige Durchflussschritte erfordern dagegen quadratisch verteilte Druckpunkte. Der Prüfzweck bestimmt die geeignete Folge.
23.5 Ist das Auslesen über HART bereits eine Kalibrierung?
Das Auslesen allein liefert noch keinen Vergleich mit einer rückgeführten Referenz. HART kann Variablen und Einstellungen zugänglich machen sowie Prüfmethoden auslösen. Für eine messtechnische Bewertung werden zusätzlich geeignete Druck- beziehungsweise Stromreferenzen und eine dokumentierte Auswertung benötigt.
23.6 Muss die Radizierung vor einer Kalibrierung ausgeschaltet werden?
Die erste Prüfung sollte den vorgesehenen beziehungsweise vorgefundenen Signalpfad erfassen. Für eine ergänzende Diagnose kann eine lineare Betriebsart sinnvoll sein. Eine solche Änderung erfolgt dokumentiert nach der As-found-Aufnahme; anschließend werden Betriebseinstellungen wiederhergestellt und geprüft.
23.7 Prüft ein Stromsimulator auch den Drucksensor?
Eine Stromeinspeisung hinter dem Transmitter prüft den Drucksensor nicht. Sie bewertet den angeschlossenen elektrischen Pfad ab dem Einspeisepunkt. Für die Druckerfassung muss ein definierter Druck auf den Sensor wirken und mit seiner Reaktion verglichen werden.
23.8 Kann Differenzdruck aus zwei Relativdruckmessungen berechnet werden?
Das ist grundsätzlich möglich, wenn das Messmodell und die Unsicherheiten dafür geeignet sind. Bei einer kleinen Differenz zwischen zwei großen Druckwerten kann die Unsicherheit der Differenz jedoch zu groß werden. Auflösung, Korrelation, zeitgleiche Erfassung und statische Druckbedingungen sind zu berücksichtigen. Die Subtraktion allein macht zwei Geräte nicht zu einer geeigneten Differenzdruckreferenz.
23.9 Wie wird ein angehobener Druckmessbereichsanfang behandelt?
Die konkrete Gerätegleichung und die Zuordnung von Druck zu Durchfluss sind maßgeblich. Die Wurzel aus einem auf eine verschobene Druckspanne normierten Signal beschreibt nicht automatisch die physikalische Durchflusskennlinie. Sollwerte müssen aus der tatsächlich vereinbarten Übertragungsfunktion berechnet werden.
23.10 Wie werden bidirektionale Durchflussmessungen geprüft?
Zusätzlich zum Betrag muss die Richtung beziehungsweise das Vorzeichen korrekt verarbeitet werden. Nullpunkt, Vorwärts- und Rückwärtsbereich, deren Stromzuordnung und Übergangsverhalten werden nach der gerätespezifischen Kennlinie geprüft. Die einfache positive Quadratwurzelfunktion dieses Rechenbeispiels reicht dafür nicht aus.
23.11 Warum schwankt der Durchfluss nahe null besonders stark?
Die Quadratwurzelfunktion reagiert dort empfindlich auf kleine Druckänderungen. Druckrauschen, ein instabiler Nullpunkt, Leckagen oder Flüssigkeitsreste in Prüfleitungen können dadurch deutlich sichtbar werden. Die Ursache wird zuerst am Drucksignal und am Prüfaufbau untersucht; anschließend werden die vorgesehenen Filter- und Cutoff-Funktionen beurteilt.
23.12 Muss die Schleichmengenunterdrückung für den Nachweis deaktiviert sein?
Die Prüfung des Betriebszustands muss die vorgesehene Unterdrückung einschließen. Eine zusätzliche Prüfung ohne diese Funktion kann die Diagnose der idealen Kennlinie erleichtern. Beide Zustände müssen getrennt dokumentiert werden, da für sie unterschiedliche Sollwerte gelten können.
23.13 Warum zeigt der Kalibrator bei 50 % manchmal 8 statt 12 mA?
Ein durchflussbezogener Gebemodus kann den Drucksignalwert erzeugen, der zu 50 % Durchfluss gehört. Das sind 25 % der differenzdrucklinearen Stromspanne und damit 8 mA. Ein direkt durchflusslineares Ausgangssignal hätte dagegen 12 mA. Entscheidend sind die Funktion des Stromsignals und die Definition des Kalibratormodus.
23.14 Bedeutet 0 mA einen Durchfluss von null?
Beim hier betrachteten 4 … 20-mA-System entspricht der reguläre Durchflussnullpunkt 4 mA. Ein Wert von 0 mA kann beispielsweise auf fehlende Versorgung oder eine unterbrochene Schleife hinweisen. Fehler-, Unterbereichs- und Sättigungssignale werden anhand der konkreten Gerätekonfiguration bewertet.
23.15 Gilt die Prüfung auch für Masse- oder Normvolumenstrom?
Die getrennte Betrachtung der Signalstufen bleibt sinnvoll. Werden jedoch Dichte, Druck, Temperatur oder weitere Größen zur Berechnung verwendet, gehören diese Eingänge und die zugehörige Rechenvorschrift zum erweiterten Prüfumfang. Eine reine Differenzdruckprüfung bestätigt deren Richtigkeit nicht.
23.16 Wie oft sollte ein radizierender Transmitter kalibriert werden?
Das Intervall richtet sich nach Einsatzbedingungen, geforderter Messqualität, Bedeutung der Messstelle und den bisherigen Kalibrierergebnissen. Drift, Eingriffe, veränderte Betriebsbedingungen oder auffällige Messergebnisse können eine frühere Prüfung begründen. Eine allgemeingültige Frist ergibt sich aus der Radizierungsfunktion allein nicht.
23.17 Welche Angaben machen einen Kalibriernachweis für die Qualitätssicherung brauchbar?
Erforderlich sind ein eindeutiger Prüfumfang, rückführbare Referenzen, tatsächliche Eingangs- und Ausgangswerte, die verwendete Kennlinie, Messabweichungen und Unsicherheiten. Bei einer Konformitätsaussage gehören Toleranz und Entscheidungsregel dazu. As-found, Eingriffe und As-left müssen nachvollziehbar voneinander getrennt sein.
23.18 Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl?
Hilfreich sind Gerätetyp und Signalvariante, physischer oder elektrischer Eingang, Differenzdruckbereich einschließlich kleinster relevanter Prüfpunkte, statischer Prüfdruck, Druckmedium und Anschlüsse. Hinzu kommen Strombetriebsarten, vorhandene Schleifenspeisung, HART-Bedarf, Ort der Radizierung, Cutoff-Verhalten, zulässige Abweichung, benötigte Unsicherheit und Anforderungen an mobile Prüfung, Automatisierung und Dokumentation.