Ein Differenzdrucktransmitter misst an einer industriellen Rohrleitung einen Differenzdruck von 0 bis 250 mbar. Der statische Leitungsdruck beträgt im normalen Betrieb ungefähr 40 bar. Bei einer turnusmäßigen Kalibrierung in der Werkstatt wird das Gerät mit einem Präzisions-Druckkalibrator überprüft. Beide Prozessanschlüsse stehen dabei unter Umgebungsdruck beziehungsweise nur unter dem für den jeweiligen Differenzdruck-Prüfpunkt erforderlichen Druck. Die Ergebnisse sind unauffällig: Nullpunkt und Messspanne liegen innerhalb der vorgegebenen Toleranzen.
Nach dem Wiedereinbau in die Anlage zeigt der Transmitter jedoch bereits bei ausgeglichenem Differenzdruck einen kleinen Offset. Auch der angezeigte Differenzdruck bei einer bekannten Betriebsbedingung weicht von den erwarteten Werten ab.
Ist der Transmitter defekt? War die Kalibrierung ungenau? Oder verändert der hohe statische Leitungsdruck die Eigenschaften der Differenzdruckmesszelle?
Diese Fragestellung ist für die Prozessindustrie, die Energieversorgung, die chemische Industrie, den Anlagenbau und industrielle Kalibrierlabore von großer Bedeutung. Denn ein Differenzdrucktransmitter misst häufig eine vergleichsweise kleine Druckdifferenz, während gleichzeitig auf beiden Seiten ein wesentlich höherer statischer Druck anliegt.
Ein typisches Beispiel ist ein Messbereich von 0 bis 250 mbar bei einem statischen Betriebsdruck von 40 bar. Die gewünschte Differenzdruckmessung umfasst damit nur einen kleinen Bruchteil des gesamten Druckniveaus, dem die Messzelle ausgesetzt ist.
Der statische Leitungsdruck wirkt auf beide Prozessanschlüsse. Idealerweise würde sich sein Einfluss vollständig aufheben, sodass ausschließlich die Differenz zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite gemessen wird. In der Realität können jedoch konstruktionsbedingte Einflüsse zu einer Nullpunktverschiebung oder einer Veränderung der Messspanne führen.
Die Größe dieser Einflüsse hängt von der Messzellentechnologie, dem statischen Druck, dem eingestellten Differenzdruckbereich und der herstellerspezifischen Kompensation ab. Einige Transmitter verfügen über eine automatische oder werkseitige Korrektur des statischen Druckeinflusses. Bei anderen Ausführungen sind zusätzliche Justier- oder Kompensationsverfahren vorgesehen.
Eine Kalibrierung bei Umgebungsdruck kann deshalb zwar die Funktion und Genauigkeit unter den gewählten Prüfbedingungen bestätigen, muss aber nicht sämtliche Fehler unter dem tatsächlichen statischen Betriebsdruck erfassen.
Für eine realitätsnahe Überprüfung ist ein Prüfaufbau erforderlich, bei dem beide Seiten des Differenzdrucktransmitters mit einem geeigneten gemeinsamen Grunddruck beaufschlagt werden. Zusätzlich wird eine definierte kleine Druckdifferenz erzeugt und mit einem dafür geeigneten Referenzsystem gemessen.
Besonders wichtig ist die sichere Druckführung. Ein für 40 bar statischen Betriebsdruck ausgelegter Differenzdrucktransmitter darf nicht automatisch mit einer Druckdifferenz von 40 bar beaufschlagt werden. Die zulässige statische Druckbelastung und die maximal zulässige einseitige Differenzdruckbelastung sind getrennte technische Grenzwerte.
Dieser Fachbeitrag erläutert die physikalischen Grundlagen des statischen Druckeinflusses, beschreibt die Anforderungen an einen geeigneten Kalibrieraufbau und zeigt, wie Nullpunkt, Messspanne und Kennlinienabweichung unter realistischen Betriebsbedingungen geprüft werden können.
Ein ausführliches Rechenbeispiel verdeutlicht, wie eine kleine Nullpunktverschiebung und ein zusätzlicher Messspannenfehler das 4-bis-20-mA-Ausgangssignal beeinflussen. Ergänzend werden Referenzgeräte, Druckstabilisierung, Messunsicherheit, HART-Parametrierung, Prüfablauf, typische Fehler und die Dokumentation der Ergebnisse behandelt.
Inhaltsverzeichnis
- Messaufgabe und typische Probleme beim statischen Leitungsdruck
- Funktionsprinzip eines Differenzdrucktransmitters
- Statischen Leitungsdruck und Differenzdruck unterscheiden
- Nullpunkt- und Messspanneneinfluss des statischen Drucks verstehen
- Kalibrierung unter Umgebungsdruck und Betriebsdruck vergleichen
- Prüfaufbau mit gemeinsamer statischer Druckbeaufschlagung
- Geeignete Druckreferenzen und Kalibriergeräte auswählen
- Praxisbeispiel: Nullpunktverschiebung und Messspannenfehler bei 40 bar berechnen
- Nullpunkt bei statischem Leitungsdruck prüfen
- Messspanne und Kennlinie unter Betriebsdruck prüfen
- Druckstabilisierung, Temperatur und Einschwingzeit
- Hochdruckseite, Niederdruckseite und Ventilblock richtig behandeln
- Prüfmedium, Füllung und hydrostatische Druckunterschiede
- 4-bis-20-mA-Ausgang, HART und digitale Messwerte
- Kalibrierung, Nullpunktjustierung und Sensorabgleich unterscheiden
- Messbereich, Turn-down und statische Druckfestigkeit
- Messunsicherheit bei hohem statischem Leitungsdruck
- Kalibrierprotokoll und reproduzierbare Dokumentation
- Drucksicherheit, Explosionsschutz und relevante Regelwerke
- Systematischer Prüf- und Kalibrierablauf
- Typische Fehlerbilder und gezielte Diagnose
- Passende ICS-Produkte für die Differenzdruckkalibrierung
- Fazit: Nullpunkt und Messspanne unter realistischen Bedingungen prüfen
- Häufig gestellte Fragen zur Differenzdruckkalibrierung
1. Messaufgabe und typische Probleme beim statischen Leitungsdruck
Ein Differenzdrucktransmitter erfasst die Druckdifferenz zwischen zwei Prozessanschlüssen. Diese werden normalerweise als Hochdruckseite und Niederdruckseite beziehungsweise H und L bezeichnet.
Der tatsächliche statische Betriebsdruck kann erheblich größer sein als der gemessene Differenzdruck.
Typische Anwendungen sind:
- Durchflussmessung über Wirkdruckgeber und Blenden.
- Differenzdruckmessung über Filter und Siebe.
- Überwachung von Pumpen und Verdichtern.
- Füllstandmessung über hydrostatischen Differenzdruck.
- Messung von Druckverlusten in Rohrleitungen.
- Überwachung von Wärmetauschern.
- Prozessdruckmessungen mit kleinen Differenzdruckspannen.
- Messungen an geschlossenen, druckbeaufschlagten Behältern.
1.1 Typische Kalibrierbedingungen
Bei einer einfachen Werkstattprüfung wird die Hochdruckseite des Transmitters mit einer Druckreferenz verbunden. Die Niederdruckseite befindet sich auf einem definierten Referenzdruck, beispielsweise Umgebungsdruck.
Durch Erhöhung des Drucks an der Hochdruckseite werden die gewünschten Differenzdruck-Prüfpunkte eingestellt.
Diese Methode ist für bestimmte Prüfaufgaben geeignet und kann die statische Kennlinie des Differenzdrucktransmitters unter den gegebenen Druckbedingungen bewerten.
Sie bildet jedoch nicht zwangsläufig den statischen Betriebsdruck der Prozessanlage ab.
1.2 Kalibrierung unter Betriebsbedingungen
Soll der Transmitter auch unter seinem tatsächlichen statischen Leitungsdruck geprüft werden, müssen die entsprechenden Druckbedingungen an beiden Messkammern hergestellt werden.
Der kleine Differenzdruck wird dann zusätzlich zum gemeinsamen Druckniveau erzeugt.
Die Messung wird dadurch anspruchsvoller, weil sowohl der hohe statische Druck als auch die kleine Druckdifferenz ausreichend genau und sicher beherrscht werden müssen.
1.3 Ziel der Untersuchung
Eine solche Prüfung soll insbesondere klären:
- Verändert sich der Nullpunkt bei steigendem statischem Druck?
- Verändert sich die Empfindlichkeit beziehungsweise Messspanne?
- Ist die Kennlinie unter Betriebsdruck ausreichend linear?
- Entstehen unterschiedliche Ergebnisse bei steigenden und fallenden Prüfpunkten?
- Bleibt der Messwert nach ausreichender Stabilisierung konstant?
- Ist eine herstellerspezifische Kompensation erforderlich?
- Werden die festgelegten Toleranzen unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen eingehalten?
1.4 Kalibrierung und Justierung
Eine Kalibrierung stellt die Abweichungen fest und dokumentiert sie.
Eine Justierung verändert dagegen eine Einstellung oder eine Gerätekennlinie mit dem Ziel, die Abweichung zu reduzieren.
Diese Vorgänge müssen sowohl im Prüfablauf als auch in der Dokumentation eindeutig getrennt werden.
2. Funktionsprinzip eines Differenzdrucktransmitters
Ein Differenzdrucktransmitter erfasst die Differenz zwischen zwei anliegenden Drücken.
Für die grundlegende Messgröße gilt:
Δp = pH – pL
Hierbei bezeichnet pH den Druck am Hochdruckanschluss und pL den Druck am Niederdruckanschluss.
2.1 Messzelle
Viele industrielle Differenzdrucktransmitter verwenden eine Messmembran beziehungsweise eine geeignete druckempfindliche Sensorstruktur.
Die anliegende Druckdifferenz verursacht eine messbare Verformung oder eine andere physikalisch auswertbare Änderung.
Diese wird durch die Sensorelektronik in einen Druckwert umgewandelt.
2.2 Gemeinsamer Druck
Wenn auf beiden Prozessanschlüssen derselbe Druck anliegt, beträgt der ideale Differenzdruck null.
Beispielsweise gilt:
pH = 40,00 bar
pL = 40,00 bar
Δp = 0,00 bar
Das Messgerät sollte unter geeigneten Bedingungen entsprechend seinen Spezifikationen den definierten Nullwert anzeigen.
2.3 Differenzdruck bei hohem Druckniveau
Steigt der Druck an der Hochdruckseite bei konstantem Niederdruck geringfügig an, entsteht eine kleine Differenz.
Beispielsweise:
pH = 40,10 bar
pL = 40,00 bar
Δp = 0,10 bar = 100 mbar
Der Transmitter misst in diesem Beispiel einen Differenzdruck von 100 mbar bei einem statischen Leitungsdruck von ungefähr 40 bar.
2.4 Ausgangssignal
Ein häufig verwendetes Ausgangssignal ist 4 bis 20 mA.
Bei einer linearen Skalierung von 0 bis 250 mbar gilt idealisiert:
I = 4 mA + 16 mA · Δp / 250 mbar
Bei 0 mbar beträgt der Strom ideal 4 mA, bei 125 mbar 12 mA und bei 250 mbar 20 mA.
2.5 Zusätzliche Funktionen
Moderne Differenzdrucktransmitter können über Temperaturkompensation, digitale Kommunikation, Diagnose und unterschiedliche Ausgangskennlinien verfügen.
Insbesondere bei Durchflussmessungen kann das Ausgangssignal beispielsweise linear zum Differenzdruck oder radiziert zum Durchfluss konfiguriert sein.
Für die Kalibrierung muss deshalb bekannt sein, welche Messgröße und Ausgangskennlinie tatsächlich eingestellt sind.
3. Statischen Leitungsdruck und Differenzdruck unterscheiden
Eine wesentliche Voraussetzung für die Kalibrierung ist die klare Unterscheidung zwischen dem statischen Leitungsdruck und dem Differenzdruck.
3.1 Differenzdruck
Der Differenzdruck ist die Differenz zwischen den beiden Prozessdrücken.
Δp = pH – pL
Er kann auch dann sehr klein sein, wenn beide Prozessdrücke auf einem hohen Druckniveau liegen.
3.2 Statischer Leitungsdruck
Als statischer Leitungsdruck wird bei Differenzdruckanwendungen das gemeinsame Druckniveau bezeichnet, unter dem die Messzelle arbeitet.
Je nach Berechnungs- und Gerätemodell wird dafür beispielsweise der Druck einer definierten Bezugsseite oder der mittlere Druck beider Seiten verwendet.
Für den mittleren Druck gilt:
pstat,mittel = (pH + pL) / 2
Die genaue Definition muss für die jeweilige technische Spezifikation eindeutig sein.
3.3 Beispiel bei 40 bar
Für folgende Druckwerte:
pH = 40,20 bar
pL = 40,00 bar
ergibt sich:
Δp = 200 mbar
pstat,mittel = 40,10 bar
Der mittlere statische Druck liegt damit nur geringfügig oberhalb der 40 bar, während der interessierende Differenzdruck 200 mbar beträgt.
3.4 Kleine Differenz bei großem Druckniveau
Der gemessene Differenzdruck kann um mehrere Größenordnungen kleiner sein als der statische Leitungsdruck.
Gerade dieses Verhältnis stellt hohe Anforderungen an Messzelle, Druckreferenz und Prüfaufbau.
3.5 Druckfestigkeit ist nicht gleich Differenzdruckmessbereich
Die maximal zulässige statische Druckbelastung beschreibt nicht automatisch die zulässige Differenzdruckbelastung.
Ein Transmitter kann für hohen gemeinsamen Leitungsdruck ausgelegt sein, während seine Messzelle nur einen kleinen Differenzdruck erfassen soll.
Die im Datenblatt festgelegten Grenzen für einseitige Überlast, statischen Druck und Messbereich müssen getrennt geprüft werden.
4. Nullpunkt- und Messspanneneinfluss des statischen Drucks verstehen
Ein Differenzdrucktransmitter sollte möglichst nur auf die tatsächlich anliegende Druckdifferenz reagieren.
In realen Messzellen können jedoch durch den statischen Druck zusätzliche mechanische und messtechnische Einflüsse auftreten.
4.1 Nullpunktverschiebung
Eine Nullpunktverschiebung liegt vor, wenn das Gerät bei tatsächlich ausgeglichenem Differenzdruck einen von null abweichenden Differenzdruck anzeigt.
Dies kann beispielsweise durch die mechanischen Eigenschaften der Messzelle oder die Druckübertragung innerhalb des Sensors verursacht werden.
Bei einem linearen 4-bis-20-mA-Ausgang erscheint die Nullpunktverschiebung als Abweichung vom idealen 4-mA-Wert.
4.2 Messspanneneinfluss
Der statische Druck kann bei bestimmten Messzellen nicht nur den Nullpunkt, sondern auch die Empfindlichkeit verändern.
Die Ausgangsänderung zwischen zwei Differenzdruck-Prüfpunkten kann dann vom idealen Wert abweichen.
Eine reine Nullpunktkorrektur beseitigt diesen Messspannenfehler nicht zwangsläufig.
4.3 Herstellerabhängige Kompensation
Moderne Transmitter können den Einfluss des statischen Drucks durch geeignete Sensorkonstruktionen und Kompensationsverfahren reduzieren.
Bei bestimmten Geräten ist eine zusätzliche Justierung beziehungsweise Kompensation vorgesehen.
Andere Ausführungen benötigen aufgrund ihrer Messzellentechnologie keine entsprechende gesonderte Justierung.
4.4 Beispiel aus der Herstellerdokumentation
Emerson beschreibt für bestimmte Rosemount-Differenzdrucktransmitter ausdrücklich eine systematische Beeinflussung des Nullpunkts und der Messspanne durch den statischen Leitungsdruck.
Für ausgewählte Messbereiche werden besondere Kompensationsverfahren angegeben.
Die dokumentierten Korrekturmethoden sind geräte- und bereichsspezifisch und dürfen nicht auf andere Transmitter übertragen werden.
4.5 Offset und Verstärkung unterscheiden
Für eine vereinfachte Betrachtung kann die Ausgangskennlinie als lineare Funktion beschrieben werden:
I = I0 + k · Δp
Dabei bezeichnet I0 den Ausgangsstrom bei Differenzdruck null und k die Empfindlichkeit des Stromsignals gegenüber dem Differenzdruck.
Eine Änderung von I0 beschreibt einen Offset.
Eine Änderung von k beschreibt eine Veränderung der Messspanne.
Beide Größen können durch eine Kalibrierung an mehreren Prüfpunkten getrennt beurteilt werden.
5. Kalibrierung unter Umgebungsdruck und Betriebsdruck vergleichen
Eine Kalibrierung unter Umgebungsdruck und eine Kalibrierung unter hohem gemeinsamem Leitungsdruck können unterschiedliche Ergebnisse liefern.
Beide Prüfungen können sinnvoll sein, müssen aber eindeutig beschrieben und voneinander abgegrenzt werden.
| Merkmal | Kalibrierung nahe Umgebungsdruck | Kalibrierung unter statischem Leitungsdruck |
|---|---|---|
| Gemeinsames Druckniveau | Niedrig, üblicherweise nahe Umgebungsdruck | Entspricht dem festgelegten Prüf- beziehungsweise Betriebsdruck |
| Prüfdifferenzdruck | Definierte kleine Druckdifferenz | Definierte kleine Druckdifferenz bei zusätzlichem hohem Druckniveau |
| Prüfaufbau | Vergleichsweise einfach | Geeignetes Hochdruck-Differenzdrucksystem erforderlich |
| Nullpunktprüfung | Bei ausgeglichenem niedrigem Druck | Bei gleichem hohen Druck auf beiden Seiten |
| Messspannenprüfung | Unter den gewählten niedrigen Druckbedingungen | Unter definierten hohen statischen Druckbedingungen |
| Statischer Druckeinfluss | Wird nicht im vorgesehenen Betriebsdruckbereich untersucht | Kann unter den jeweiligen Prüfbedingungen erfasst werden |
| Differenzdruckreferenz | Passender Differenzdruckbereich erforderlich | Zusätzlich für hohen gemeinsamen Druck geeignet |
| Sicherheitsanforderungen | Abhängig von den Prüfbedingungen | Besondere Anforderungen an Druckführung und einseitige Überlast |
| Aussage des Ergebnisses | Gültig für die dokumentierten Prüfbedingungen | Bewertung bei dokumentiertem statischem Prüfdruck |
| Wichtigste Einschränkung | Kein vollständiger Nachweis des Betriebsdruckeinflusses | Erfordert geeigneten Aufbau, Stabilität und ausreichend kleine Messunsicherheit |
5.1 Vergleichbarkeit der Kalibrierergebnisse
Eine Vergleichsmessung ist besonders aussagekräftig, wenn derselbe Transmitter vor und nach einer Änderung des statischen Drucks mit denselben Differenzdruck-Prüfpunkten untersucht wird.
Dadurch können Änderungen von Nullpunkt und Messspanne erkennbar werden.
5.2 Unterschiedliche Messbedingungen dokumentieren
Im Kalibrierprotokoll muss deutlich werden, unter welchem statischen Druck die Prüfung durchgeführt wurde.
Ein Kalibrierschein ohne entsprechende Angabe belegt nicht automatisch die Prüfung unter dem späteren Leitungsdruck der Anlage.
5.3 Einsatzbezogene Bewertung
Ob eine zusätzliche Kalibrierung unter statischem Druck notwendig ist, hängt von der Messaufgabe, dem Transmitter, der geforderten Genauigkeit und den Herstellerspezifikationen ab.
Es ist deshalb nicht für jeden Differenzdrucktransmitter grundsätzlich dieselbe Prüfstrategie erforderlich.
6. Prüfaufbau mit gemeinsamer statischer Druckbeaufschlagung
Die Prüfung eines Differenzdrucktransmitters unter hohem statischem Leitungsdruck benötigt einen dafür ausgelegten Druckaufbau.
Das Prüfkonzept muss zwei unterschiedliche Anforderungen gleichzeitig erfüllen:
- Erzeugung und sichere Aufrechterhaltung des festgelegten hohen gemeinsamen Druckniveaus.
- Erzeugung und genaue Referenzmessung einer wesentlich kleineren Differenz zwischen den beiden Druckanschlüssen.
6.1 Grundprinzip
Bei einem Differenzdruck von null stehen beide Anschlüsse auf demselben definierten Druckniveau.
Für einen positiven Differenzdruck wird eine entsprechend kleine Druckdifferenz zwischen H- und L-Seite eingestellt.
Die tatsächlichen Drücke müssen dabei innerhalb sämtlicher zulässiger Gerätegrenzen bleiben.
6.2 Zwei Druckkanäle
Ein geeigneter Aufbau kann mit getrennt regelbaren Druckkanälen realisiert werden.
Damit lassen sich die Drücke beider Seiten unabhängig einstellen.
Die Verwendung zweier unabhängiger Druckregler allein gewährleistet jedoch noch keinen sicheren Prüfaufbau.
Insbesondere beim Druckaufbau, bei Reglerstörungen und während der Entlastung muss verhindert werden, dass unzulässige Differenzdrücke entstehen.
6.3 Gemeinsame Druckversorgung
Eine alternative Prüfeinrichtung kann einen gemeinsamen Grunddruck bereitstellen und zusätzlich eine kleine geregelte Differenz erzeugen.
Solche Aufbauten können für wiederkehrende Differenzdruckkalibrierungen unter hohem statischem Druck besonders geeignet sein.
Die konkrete Konstruktion muss an Druckbereich, Medium und Schutzanforderungen angepasst werden.
6.4 Differenzdruckreferenz
Die Referenzmessung muss den kleinen Differenzdruck mit ausreichender Genauigkeit erfassen.
Gleichzeitig muss das Referenzsystem für den an beiden Seiten anliegenden statischen Druck ausgelegt sein.
Ein einfacher Niederdrucksensor, der nur für kleine Drücke gegenüber der Umgebung vorgesehen ist, darf nicht ohne entsprechende Freigabe mit hohem statischem Druck belastet werden.
6.5 Absperrung und Druckausgleich
Geeignete Ventile und Druckausgleichseinrichtungen können Bestandteil des Prüfaufbaus sein.
Ihre Funktion besteht unter anderem darin, definierte Druckzustände herzustellen und unzulässige Differenzbelastungen zu vermeiden.
Die tatsächliche Ventilfolge muss dem freigegebenen Prüfverfahren und den Herstellerangaben entsprechen.
6.6 Sicherheit beim Druckabbau
Die Druckentlastung muss kontrolliert erfolgen.
Es darf nicht durch eine ungeeignete Entlastungsfolge ein hoher einseitiger Differenzdruck an der Messzelle entstehen.
Dies gilt auch dann, wenn beide Prozessanschlüsse für den betreffenden statischen Druck zugelassen sind.
6.7 Praktische Auslegung
Ein geeigneter Prüfstand benötigt neben den Druckreglern auch passende Druckleitungen, Absperreinrichtungen, Überdruckschutz, Druckreferenzen und eine geeignete Messwerterfassung.
Die gesamte Baugruppe muss für das verwendete Prüfmedium und die maximal möglichen Druckzustände freigegeben sein.
7. Geeignete Druckreferenzen und Kalibriergeräte auswählen
Die Auswahl der Druckreferenz entscheidet wesentlich über die erreichbare Messunsicherheit.
Bei einem kleinen Differenzdruck und einem hohen statischen Druck ist insbesondere die Unterscheidung zwischen der Messung beider Einzeldrücke und der direkten Differenzdruckmessung wichtig.
7.1 Direkte Differenzdruckreferenz
Eine geeignete Differenzdruckreferenz erfasst unmittelbar die Differenz zwischen H- und L-Seite.
Sie muss sowohl für den kleinen Prüfdifferenzdruck als auch für den hohen statischen Druck spezifiziert sein.
Die Genauigkeitsangabe muss für die konkreten Prüfbedingungen gelten.
7.2 Zwei Einzeldruckreferenzen
Eine Druckdifferenz kann grundsätzlich auch aus zwei separat gemessenen Drücken berechnet werden:
Δp = pH – pL
Bei einem Druckniveau von ungefähr 40 bar und einem Differenzdruck von nur wenigen Millibar können die Unsicherheiten der beiden großen Einzeldruckmesswerte jedoch im Verhältnis zur Differenz erheblich sein.
Die resultierende Unsicherheit muss sorgfältig ermittelt werden.
Eine rechnerische Differenz aus zwei hochgenauen Druckanzeigen ist nicht automatisch eine ausreichend genaue Differenzdruckreferenz.
7.3 Kalibrierung der Referenzen
Die eingesetzten Referenzgeräte müssen für die Anwendung geeignet kalibriert und messtechnisch rückgeführt sein.
Der Kalibrierumfang sollte den tatsächlich benötigten Druckbereich und die entsprechenden Betriebsbedingungen abdecken.
7.4 Elektrische Referenz
Für einen Transmitter mit 4-bis-20-mA-Ausgang wird zusätzlich eine geeignete Strommessung benötigt.
Die Unsicherheit des Strommessgeräts ist Bestandteil der gesamten Kalibrierunsicherheit.
7.5 Automatische Druckregelung
Automatische Druckregler können die Reproduzierbarkeit von Prüfpunkten verbessern und den Bedienaufwand reduzieren.
Entscheidend sind die passende Regelkonfiguration und ein sicheres Prüfkonzept.
Für die direkte Erzeugung eines kleinen Differenzdrucks unter hohem statischem Druck muss die Eignung des vollständigen Systems gesondert bewertet werden.
8. Praxisbeispiel: Nullpunktverschiebung und Messspannenfehler bei 40 bar berechnen
Ein Differenzdrucktransmitter wird zunächst unter niedrigen statischen Druckbedingungen überprüft. Anschließend erfolgt eine zweite Prüfung unter einem statischen Leitungsdruck von ungefähr 40 bar.
Die beiden Prüfungen sollen zeigen, wie sich Nullpunkt und Messspanne verändern können.
Das Beispiel verwendet eine hypothetische Messreihe, damit die Berechnung unabhängig von einer bestimmten Geräteausführung nachvollziehbar bleibt.
8.1 Ausgangsdaten und Annahmen
Es gelten folgende ausdrücklich frei gewählte Annahmen:
- Prüfling: Differenzdrucktransmitter mit linearem Ausgang.
- Konfigurierter Messbereich: 0 bis 250 mbar.
- Ausgangssignal: 4 bis 20 mA.
- Erste Prüfung: niedriger statischer Druck.
- Zweite Prüfung: Niederdruckseite konstant bei 40,00 bar relativ.
- Hochdruckseite: 40,00 bar bis 40,25 bar relativ.
- Prüfpunkte: 0 %, 25 %, 50 %, 75 % und 100 %.
- Angenommene konstante Betriebs- und Umgebungstemperatur.
- Ausreichend stabilisierte Druckzustände.
- Keine Justierung zwischen den beiden Prüfungen.
- Angenommene lineare Transmitterkennlinie bei jedem statischen Druckniveau.
Der mittlere statische Druck steigt bei dieser vereinfachten Prüfkonfiguration mit zunehmendem Differenzdruck geringfügig von 40,00 bis 40,125 bar. Er ist daher nicht mathematisch exakt konstant, bleibt aber nahe dem vorgesehenen Leitungsdruck von 40 bar.
Für eine Untersuchung bei exakt konstantem mittlerem statischem Druck müssten beide Prüfdruckseiten entsprechend koordiniert verändert werden.
8.2 Ideale Stromkennlinie
Für einen linearen Transmitter mit 0 bis 250 mbar und 4 bis 20 mA gilt:
Iideal = 4 mA + 16 mA · Δp / 250 mbar
Daraus ergeben sich die idealen Stromwerte:
- 0 mbar: 4,00 mA.
- 62,5 mbar: 8,00 mA.
- 125,0 mbar: 12,00 mA.
- 187,5 mbar: 16,00 mA.
- 250,0 mbar: 20,00 mA.
8.3 Erste Kalibrierung bei niedrigem statischem Druck
Für das Beispiel wird angenommen, dass der Transmitter bei niedrigem statischem Druck exakt die idealen Stromwerte liefert.
Diese Annahme dient als Vergleichsbasis.
Das Gerät weist unter diesen idealisierten Bedingungen weder einen Nullpunktfehler noch einen Messspannenfehler auf.
8.4 Zweite Kalibrierung bei 40 bar Leitungsdruck
Für die zweite Prüfung werden folgende hypothetische Messwerte angenommen:
- 0 mbar: 4,064 mA.
- 62,5 mbar: 8,044 mA.
- 125,0 mbar: 12,024 mA.
- 187,5 mbar: 16,004 mA.
- 250,0 mbar: 19,984 mA.
Die angenommenen Messwerte zeigen eine kleine positive Nullpunktverschiebung und gleichzeitig eine geringfügig reduzierte Messspanne.
| Differenzdruck | Ideales Signal | Gemessenes Signal | Stromabweichung | Entsprechende Druckabweichung |
|---|---|---|---|---|
| 0 mbar | 4,000 mA | 4,064 mA | +0,064 mA | +1,0000 mbar |
| 62,5 mbar | 8,000 mA | 8,044 mA | +0,044 mA | +0,6875 mbar |
| 125,0 mbar | 12,000 mA | 12,024 mA | +0,024 mA | +0,3750 mbar |
| 187,5 mbar | 16,000 mA | 16,004 mA | +0,004 mA | +0,0625 mbar |
| 250,0 mbar | 20,000 mA | 19,984 mA | -0,016 mA | -0,2500 mbar |
8.5 Nullpunktfehler berechnen
Bei einem tatsächlich anliegenden Differenzdruck von 0 mbar beträgt das ideale Stromsignal 4,000 mA.
Gemessen werden 4,064 mA.
Die Abweichung beträgt:
ΔI0 = 4,064 mA – 4,000 mA
ΔI0 = +0,064 mA
Der Ausgangsstrom entspricht damit einer scheinbaren positiven Druckdifferenz.
8.6 Nullpunktfehler in Differenzdruck umrechnen
Die Stromspanne beträgt 16 mA und die konfigurierte Differenzdruckspanne 250 mbar.
Daraus ergibt sich:
Δp0 = ΔI0 / 16 mA · 250 mbar
Δp0 = 0,064 / 16 · 250 mbar
Δp0 = +1,00 mbar
Der Transmitter weist bei 40 bar gemeinsamem Leitungsdruck im hypothetischen Beispiel eine Nullpunktabweichung auf, die einem Differenzdruck von +1,00 mbar entspricht.
8.7 Nullpunktfehler bezogen auf die Messspanne
Bezogen auf die konfigurierte Differenzdruckspanne von 250 mbar gilt:
ε0 = 1,00 mbar / 250 mbar · 100 %
ε0 = +0,40 %
Der Nullpunktfehler beträgt somit +0,40 % der eingestellten Differenzdruckspanne.
8.8 Tatsächliche Stromspanne berechnen
Die Stromspanne zwischen dem gemessenen unteren und oberen Prüfpunkt beträgt:
SI = I250 – I0
SI = 19,984 mA – 4,064 mA
SI = 15,920 mA
Die ideale Stromspanne beträgt 16,000 mA.
Die tatsächliche Stromspanne ist somit um 0,080 mA kleiner.
8.9 Messspannenfehler berechnen
Der relative Fehler der Ausgangsspanne ergibt sich aus:
εS = (SI – 16 mA) / 16 mA · 100 %
εS = (15,920 – 16,000) / 16,000 · 100 %
εS = -0,50 %
Die Messspanne ist in diesem Beispiel um 0,50 % gegenüber der idealen Ausgangsspanne reduziert.
8.10 Messspannenfehler als Druckwert
Bezogen auf die konfigurierte Differenzdruckspanne von 250 mbar entspricht die Spannendifferenz:
ΔpS = -0,005 · 250 mbar
ΔpS = -1,25 mbar
Dies beschreibt den Unterschied zwischen der tatsächlichen und idealen Spannweite, nicht den gesamten Fehler am oberen Prüfpunkt.
8.11 Fehler am oberen Prüfpunkt
Am oberen Prüfpunkt ergeben sich zwei gleichzeitig wirkende Effekte:
- Positive Nullpunktverschiebung entsprechend +1,00 mbar.
- Reduzierte Messspanne entsprechend -1,25 mbar.
Damit ergibt sich die gesamte Abweichung:
Δp250 = +1,00 mbar – 1,25 mbar
Δp250 = -0,25 mbar
Das Ergebnis entspricht der aus dem gemessenen Stromsignal von 19,984 mA berechneten Druckabweichung.
8.12 Vereinfachte Kennliniengleichung
Die hypothetische Stromkennlinie bei 40 bar statischem Leitungsdruck kann beschrieben werden durch:
I(Δp) = 4,064 mA + 15,920 mA · Δp / 250 mbar
Diese Gleichung zeigt beide Fehleranteile:
Der konstante Ausgangsterm von 4,064 mA beschreibt die Nullpunktverschiebung.
Die reduzierte Ausgangsspanne von 15,920 mA beschreibt den Messspannenfehler.
8.13 Warum eine reine Nullpunktkorrektur nicht immer ausreicht
Wird ausschließlich der Nullpunkt verschoben, lässt sich zwar der Ausgangswert bei Differenzdruck null korrigieren.
Die reduzierte Empfindlichkeit bleibt jedoch bestehen.
Nach einer reinen Offsetkorrektur würde das Beispiel weiterhin eine gegenüber dem idealen Verlauf zu kleine Ausgangsspanne besitzen.
Deshalb muss bei einer anspruchsvollen Kalibrierung unter statischem Leitungsdruck die gesamte relevante Kennlinie geprüft werden.
8.14 Grenzen des Rechenbeispiels
Alle Messwerte und Fehlergrößen sind frei gewählt.
Sie stellen weder die zugesicherte Genauigkeit noch das tatsächliche Verhalten eines bestimmten Siemens-, WIKA- oder Rosemount-Transmitters dar.
Die reale Kennlinie kann zusätzlich Nichtlinearität, Hysterese und Temperatureinflüsse aufweisen.
Das Rechenbeispiel zeigt ausschließlich, wie Nullpunkt- und Messspannenänderungen bei einem hohen statischen Druck messtechnisch getrennt bewertet werden können.
9. Nullpunkt bei statischem Leitungsdruck prüfen
Die Nullpunktprüfung unter statischem Leitungsdruck gehört zu den wichtigsten Untersuchungen bei einer entsprechenden Kalibrierung.
9.1 Differenzdruck null herstellen
Für die Nullpunktprüfung muss an beiden Prozessanschlüssen derselbe definierte Druck anliegen.
Bei einem gewünschten statischen Prüfdruck von 40 bar bedeutet dies:
pH = 40 bar
pL = 40 bar
Δp = 0 mbar
9.2 Druckausgleich sicherstellen
Der Druckausgleich muss durch den dafür vorgesehenen Prüfaufbau hergestellt werden.
Die zulässige Druckdifferenzbelastung des Transmitters darf während dieses Vorgangs nicht überschritten werden.
9.3 Stabilisierung abwarten
Nach einer Änderung des statischen Drucks kann eine Einschwingzeit erforderlich sein.
Diese hängt unter anderem von Messzelle, Druckübertragungsmedium und Temperatur ab.
Der Nullwert sollte erst nach ausreichender Stabilisierung bewertet werden.
9.4 Nullpunktabweichung erfassen
Der angezeigte oder ausgegebene Wert wird mit dem tatsächlichen Referenzdifferenzdruck null verglichen.
Die Abweichung ist in der entsprechenden Druckeinheit und gegebenenfalls in Prozent der eingestellten Messspanne zu dokumentieren.
9.5 Wiederholung bei unterschiedlichen statischen Drücken
Wenn der statische Druckeinfluss untersucht werden soll, können Nullpunktprüfungen bei mehreren festgelegten Druckniveaus vorgesehen werden.
Die gewählten Drücke müssen innerhalb der zulässigen Gerätegrenzen liegen.
Dadurch kann die Abhängigkeit des Nullpunkts vom statischen Druck beschrieben werden.
9.6 Nullpunktkorrektur
Eine Nullpunktjustierung darf nur nach der dafür vorgesehenen Herstellerprozedur durchgeführt werden.
Bei bestimmten Geräten ist eine Justierung unter ausgeglichenem Betriebsdruck vorgesehen.
Die genaue Vorgehensweise hängt von Messzelle und Gerätekonfiguration ab.
Eine solche Justierung darf nicht automatisch mit einer vollständigen Kalibrierung der Messspanne gleichgesetzt werden.
10. Messspanne und Kennlinie unter Betriebsdruck prüfen
Neben der Nullpunktprüfung muss bei entsprechenden Anforderungen auch die Empfindlichkeit des Transmitters unter hohem statischem Druck untersucht werden.
10.1 Mehrere Differenzdruck-Prüfpunkte
Für eine Kennlinienprüfung werden geeignete Prüfpunkte innerhalb des konfigurierten Differenzdruckmessbereichs verwendet.
Die Anzahl und Verteilung der Prüfpunkte richten sich nach dem vorgesehenen Kalibrierverfahren und den Genauigkeitsanforderungen.
10.2 Steigende Differenzdruckwerte
Die Prüfpunkte werden nach einem definierten Verfahren angefahren und nach ausreichender Stabilisierung dokumentiert.
Bei hohem statischem Druck muss der Druckunterschied zwischen den beiden Prozessanschlüssen dabei kontrolliert bleiben.
10.3 Fallende Differenzdruckwerte
Eine Prüfung mit fallenden Differenzdruckwerten kann zusätzliche Informationen über das Verhalten des Transmitters liefern.
Sie ist insbesondere für die Beurteilung möglicher Hystereseeffekte wichtig.
10.4 Kennlinienabweichung
Die an jedem Prüfpunkt festgestellte Abweichung beschreibt die Differenz zwischen dem vom Transmitter ausgegebenen Wert und dem Referenzwert.
Je nach Kalibrierverfahren können diese Abweichungen als Stromabweichung, Druckabweichung oder Prozentwert dokumentiert werden.
10.5 Messspannenfehler
Die Messspanne kann aus dem Unterschied zwischen dem unteren und oberen Ausgangswert bestimmt werden.
Dadurch lässt sich eine Änderung der Empfindlichkeit unabhängig vom reinen Nullpunktoffset bewerten.
10.6 Nichtlinearität
Wenn die Messabweichungen zwischen den einzelnen Prüfpunkten nicht durch eine einfache lineare Kennlinienänderung beschrieben werden können, liegt eine zusätzliche Nichtlinearität vor.
Diese muss bei der Bewertung berücksichtigt werden.
10.7 Herstellerspezifische Kompensation
Bestimmte Transmitter besitzen Funktionen zur Kompensation des Messspanneneinflusses durch den statischen Druck.
Die Anwendung solcher Funktionen muss auf den jeweiligen Herstellerangaben beruhen.
Eine universelle Korrekturformel für alle Differenzdrucktransmitter existiert nicht.
11. Druckstabilisierung, Temperatur und Einschwingzeit
Eine zuverlässige Kalibrierung setzt ausreichend stabile Prüfbedingungen voraus.
Bei hohem statischem Druck und gleichzeitig kleinen Differenzdrücken können bereits geringe Änderungen des Druck- oder Temperaturzustands die Prüfung beeinflussen.
11.1 Stabilität des gemeinsamen Drucks
Der statische Druck muss innerhalb des vorgesehenen Prüfbereichs ausreichend stabil gehalten werden.
Schwankungen können den Nullpunkt oder die Differenzdruckregelung beeinflussen.
11.2 Stabilität des Differenzdrucks
Besonders wichtig ist die Stabilität des kleinen Differenzdrucks.
Bei einer Messspanne von beispielsweise 250 mbar sind Schwankungen im Millibarbereich bereits relevant.
11.3 Thermische Einschwingvorgänge
Bei Druckänderungen können Temperaturänderungen des Prüfmediums und der beteiligten Komponenten entstehen.
Diese müssen vor der Bewertung gegebenenfalls abklingen.
11.4 Temperatur der Messzelle
Der Transmitter kann zusätzliche temperaturabhängige Messabweichungen besitzen.
Die tatsächliche Gerätetemperatur sollte deshalb innerhalb des spezifizierten Prüfbereichs liegen und ausreichend stabil sein.
11.5 Dichtheit des Prüfaufbaus
Undichte Verbindungen können Druckdrift verursachen.
Bei kleinen Differenzdrücken kann auch eine geringe Veränderung der Druckverhältnisse zwischen beiden Seiten zu einer relevanten Messabweichung führen.
11.6 Einschwingkriterium
Die erforderliche Stabilisierung darf nicht allein anhand einer pauschalen Wartezeit beurteilt werden.
Ein geeignetes Prüfverfahren sollte festlegen, unter welchen Bedingungen der Druck und das Ausgangssignal als ausreichend stabil gelten.
11.7 Reproduzierbarkeit
Bei wiederkehrenden Kalibrierungen sollten Stabilisierungskriterien und Messzeitpunkte möglichst gleich angewendet werden.
Dadurch verbessert sich die Vergleichbarkeit der Ergebnisse.
12. Hochdruckseite, Niederdruckseite und Ventilblock richtig behandeln
Die sichere Zuordnung der Druckanschlüsse ist bei der Differenzdruckkalibrierung besonders wichtig.
12.1 H- und L-Anschluss
Der Anschluss H bezeichnet üblicherweise die Hochdruckseite, L die Niederdruckseite.
Die konkrete Kennzeichnung muss anhand des Geräts beziehungsweise der Herstelleranleitung geprüft werden.
12.2 Ventilblöcke
In Prozessanlagen werden häufig Drei- oder Fünffach-Ventilblöcke eingesetzt.
Sie ermöglichen je nach Ausführung die Absperrung, den Druckausgleich und weitere Servicefunktionen.
Ihre tatsächliche Funktionsweise muss für das eingesetzte Modell bekannt sein.
12.3 Schutz der Messzelle
Beim Druckaufbau und Druckabbau darf keine unzulässige Differenzdruckbelastung entstehen.
Eine geeignete Druckausgleichsfunktion und ein freigegebenes Verfahren können dabei helfen, die Messzelle zu schützen.
12.4 Unterschiedliche Druckanschlüsse
Die Prozessanschlüsse müssen mechanisch und hinsichtlich ihres Dichtprinzips zur Prüfeinrichtung passen.
Adapter, Druckleitungen und Ventile benötigen die entsprechende Druck- und Medienfreigabe.
12.5 Druckmittler
Bei Differenzdrucktransmittern mit Druckmittlern und Kapillarleitungen sind zusätzliche Einflüsse möglich.
Füllflüssigkeit, Höhenunterschiede, Temperatur und Systemaufbau können die Nullpunktlage beeinflussen.
Eine solche Messstelle muss anhand ihrer vollständigen Konfiguration bewertet werden.
12.6 Wirkdruckleitungen
Bei eingebauten Transmittern können die Wirkdruckleitungen zusätzliche Fehler verursachen.
Dazu zählen eingeschlossene Gasblasen, unterschiedliche Flüssigkeitssäulen, Ablagerungen oder verstopfte Anschlüsse.
Eine auffällige Messung im Betrieb muss deshalb nicht zwangsläufig auf den Transmitter selbst zurückzuführen sein.
13. Prüfmedium, Füllung und hydrostatische Druckunterschiede
Das verwendete Prüfmedium beeinflusst die Sicherheit und die messtechnischen Eigenschaften des Prüfaufbaus.
13.1 Pneumatische Kalibrierung
Bei geeigneten Anwendungen können Druckprüfungen mit gasförmigen Medien durchgeführt werden.
Dabei müssen die zulässigen Druckmedien, das gespeicherte Druckenergiepotential und die erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen berücksichtigt werden.
13.2 Hydraulische Kalibrierung
Für andere Druckbereiche und Prüflinge können flüssige Prüfmedien erforderlich beziehungsweise geeignet sein.
Die Verträglichkeit mit der Messzelle und den Druckübertragungssystemen ist zu beachten.
13.3 Gleiche Druckübertragungsbedingungen
Die beiden Druckseiten sollten entsprechend dem vorgesehenen Prüfverfahren vergleichbare und definierte Bedingungen besitzen.
Unterschiedliche Füllzustände können zusätzliche Einflüsse verursachen.
13.4 Hydrostatische Druckdifferenz
Bei flüssigkeitsgefüllten Druckleitungen können Höhenunterschiede zwischen Referenzmessgerät und Prüfling relevant sein.
Für eine ruhende Flüssigkeit gilt:
Δph = ρ · g · Δh
Dabei bezeichnet ρ die Dichte, g die Erdbeschleunigung und Δh den relevanten Höhenunterschied.
13.5 Bedeutung bei kleinen Differenzdrücken
Bereits eine geringe hydrostatische Druckdifferenz kann bei engen Differenzdruckmessbereichen eine relevante Abweichung verursachen.
Die Messhöhen und Füllzustände sollten daher dokumentiert und gegebenenfalls korrigiert werden.
13.6 Entlüftung
Bei flüssigkeitsgefüllten Messsystemen können eingeschlossene Gasblasen das Druckverhalten beeinflussen.
Eine erforderliche Entlüftung muss entsprechend dem freigegebenen Prüfverfahren erfolgen.
13.7 Kontamination vermeiden
Das Prüfmedium darf die Druckzelle, Membranen oder Füllsysteme nicht beschädigen beziehungsweise unzulässig verunreinigen.
Bei empfindlichen oder mediengetrennten Systemen können geeignete Trenn- und Schutzmaßnahmen notwendig sein.
14. 4-bis-20-mA-Ausgang, HART und digitale Messwerte
Die Differenzdruckmessung und das elektrische Ausgangssignal sind miteinander verbunden, müssen bei der Kalibrierung aber getrennt beurteilt werden.
14.1 Analoges Stromsignal
Bei einer linearen Skalierung entspricht der Differenzdruck einer definierten Stromstärke zwischen 4 und 20 mA.
Die korrekte Strommessung ist deshalb Bestandteil der Kalibrierung.
14.2 Digitale Prozessvariable
Bei einem intelligenten Transmitter kann zusätzlich der intern berechnete Differenzdruck digital ausgelesen werden.
Diese Information kann helfen, Messzelleneinflüsse von Fehlern des Analogausgangs zu unterscheiden.
14.3 HART-Kommunikation
Mit HART können je nach Gerät unter anderem Messwert, Messbereich, Parametrierung, Diagnoseinformationen und bestimmte Justierfunktionen ausgelesen beziehungsweise eingestellt werden.
Die verfügbaren Funktionen sind hersteller- und gerätespezifisch.
14.4 Sensorkennlinie und Stromausgang
Eine Änderung des Sensorabgleichs ist nicht identisch mit einer Justierung des analogen Stromausgangs.
Bei der Diagnose muss unterschieden werden, ob der digitale Druckwert selbst abweicht oder lediglich die analoge Signalübertragung.
14.5 Radizierender Ausgang
Bei der Durchflussmessung über einen Wirkdruckgeber kann eine radizierende Kennlinie eingestellt sein.
Dann ist das Ausgangssignal nicht linear proportional zum Differenzdruck.
Die Prüfung muss entweder die konfigurierte Ausgangskennlinie berücksichtigen oder nach dem freigegebenen Verfahren die direkt gemessene Differenzdruckvariable bewerten.
14.6 Fehlerstrom und Diagnose
Ein Diagnose- beziehungsweise Fehlerstrom ist von einem normalen Prozessmesswert zu unterscheiden.
Die Fehlerstrategie des Transmitters muss bei der Kalibrierung dokumentiert werden.
15. Kalibrierung, Nullpunktjustierung und Sensorabgleich unterscheiden
In der Praxis werden die Begriffe Kalibrierung und Justierung häufig vermischt.
Für eine nachvollziehbare Bewertung sollten sie eindeutig getrennt werden.
15.1 Kalibrierung
Bei einer Kalibrierung werden die Anzeigen beziehungsweise Ausgangswerte des Prüflings mit den Referenzwerten verglichen.
Die festgestellten Abweichungen werden dokumentiert.
15.2 Nullpunktjustierung
Eine Nullpunktjustierung verändert die Nullpunktlage des Messsystems.
Bei Differenzdrucktransmittern kann sie unter dafür vorgesehenen Bedingungen bei gleichem Druck an beiden Prozessanschlüssen durchgeführt werden.
15.3 Sensorabgleich
Ein Sensorabgleich kann die interne Zuordnung zwischen Sensormesswert und Referenzdruck verändern.
Die hierfür vorgesehenen Funktionen und Voraussetzungen sind vom Hersteller abhängig.
15.4 Messspannenabgleich
Ein Messspannenabgleich betrifft die Empfindlichkeit beziehungsweise die Zuordnung zwischen Differenzdruck und Ausgangssignal.
Er darf nicht ohne Kenntnis der konkreten Gerätefunktion durchgeführt werden.
15.5 Analogausgangsabgleich
Ein separater Ausgangsabgleich betrifft die Stromausgabe des Transmitters.
Ein fehlerhafter Analogausgang kann dadurch gegebenenfalls korrigiert werden, ohne dass die eigentliche Druckmesszelle verändert wird.
15.6 Vorher-Nachher-Dokumentation
Wenn eine Justierung erfolgt, sollten die Ergebnisse vor und nach der Justierung eindeutig getrennt dokumentiert werden.
Dadurch bleibt nachvollziehbar, ob die ursprüngliche Messabweichung die vorgegebenen Anforderungen erfüllt hat.
15.7 Justierung unter statischem Druck
Eine Justierung unter Betriebsdruck kann bei bestimmten Geräten zweckmäßig oder herstellerseitig vorgesehen sein.
Sie ist aber keine universelle Standardmaßnahme für jeden Differenzdrucktransmitter.
Insbesondere eine Messspannenkorrektur muss nach dem konkreten Herstellerverfahren erfolgen.
16. Messbereich, Turn-down und statische Druckfestigkeit
Bei der Auswahl eines Differenzdrucktransmitters müssen verschiedene Druck- und Genauigkeitsangaben berücksichtigt werden.
16.1 Differenzdruckmessbereich
Der Differenzdruckmessbereich beschreibt die Spanne, über die der Transmitter die gewünschte Druckdifferenz messen soll.
Beispielsweise 0 bis 250 mbar.
16.2 Statischer Betriebsdruck
Der zulässige statische Betriebsdruck beschreibt die Druckbelastung, unter der die Messzelle entsprechend ihrer Spezifikation arbeiten darf.
Dieser Wert kann wesentlich größer als der Differenzdruckmessbereich sein.
16.3 Einseitige Überlastbarkeit
Die einseitige Überlastbarkeit ist eine gesonderte Geräteeigenschaft.
Sie muss insbesondere bei Montage, Inbetriebnahme und Kalibrierung berücksichtigt werden.
16.4 Turn-down
Der Turn-down beschreibt das Verhältnis zwischen einer oberen verfügbaren Messspanne und einer kleineren konfigurierten Messspanne innerhalb der Herstellervorgaben.
Bei stark reduzierten Messspannen können bestimmte Fehleranteile relativ zur eingestellten Spanne stärker ins Gewicht fallen.
16.5 Fehler bezogen auf URL und Span
Hersteller können Genauigkeits- und Einflussangaben beispielsweise auf die obere Messbereichsgrenze der Messzelle oder auf die konfigurierte Messspanne beziehen.
Diese Angaben dürfen nicht miteinander verwechselt werden.
Ein Prozentwert vom oberen Sensormessbereich kann eine andere absolute Druckabweichung bedeuten als derselbe Prozentwert der eingestellten Messspanne.
16.6 Geeignete Messzelle
Für anspruchsvolle Differenzdruckmessungen sollte nicht nur der zulässige statische Druck, sondern auch dessen Einfluss auf die Messgenauigkeit betrachtet werden.
Die konkrete Sensor- und Messbereichsausführung ist deshalb entscheidend.
17. Messunsicherheit bei hohem statischem Leitungsdruck
Die Ermittlung der Messunsicherheit ist bei einer Differenzdruckkalibrierung unter hohem statischem Druck besonders anspruchsvoll.
Der kleine Differenzdruck muss mit ausreichender Genauigkeit nachgewiesen werden, obwohl beide Seiten auf einem wesentlich höheren Druckniveau liegen.
17.1 Referenzunsicherheit
Die Unsicherheit der verwendeten Differenzdruckreferenz muss für den tatsächlichen Prüfbereich berücksichtigt werden.
Besonders wichtig ist, ob ihre Spezifikation auch bei dem verwendeten statischen Druck gilt.
17.2 Statischer Druckeinfluss der Referenz
Nicht nur der Prüfling, sondern gegebenenfalls auch die Referenz kann durch den gemeinsamen Druck beeinflusst werden.
Dieser Einfluss muss bekannt oder ausreichend begrenzt sein.
17.3 Zwei Einzeldruckmessungen
Wird der Differenzdruck aus zwei Einzeldruckreferenzen berechnet, können sich deren Unsicherheiten auf die Differenz übertragen.
Bei unkorrelierten Messabweichungen ergibt sich die kombinierte Standardunsicherheit der Differenz vereinfacht aus:
u(Δp) = √(u(pH)² + u(pL)²)
Bei korrelierten Beiträgen ist zusätzlich die Kovarianz zu berücksichtigen.
Eine pauschale Annahme vollständiger Fehlerkompensation ist nicht zulässig.
17.4 Stabilität der Druckdifferenz
Schwankungen zwischen den beiden Druckseiten können die Prüfergebnisse beeinflussen.
Die Stabilität muss deshalb an den tatsächlichen Prüfbedingungen gemessen und bewertet werden.
17.5 Strommessung
Die Unsicherheit des elektrischen Messgeräts muss bei der Bewertung eines analogen Transmitterausgangs berücksichtigt werden.
17.6 Wiederholbarkeit und Hysterese
Unterschiedliche Ergebnisse bei wiederholter Einstellung desselben Prüfpunkts sowie bei steigenden und fallenden Druckwerten können zusätzliche Unsicherheitsbeiträge verursachen.
17.7 Hydrostatische Korrektur
Bei flüssigkeitsgefüllten Prüfsystemen können Höhenunterschiede und Dichteänderungen die Druckreferenz beeinflussen.
Auch diese Beiträge müssen gegebenenfalls berücksichtigt werden.
17.8 Temperatur
Umgebungstemperatur, Mediumtemperatur und thermische Einschwingvorgänge können sowohl Prüfling als auch Referenz beeinflussen.
17.9 Erweiterte Messunsicherheit
Aus den relevanten Standardunsicherheitsbeiträgen kann eine kombinierte Standardunsicherheit ermittelt werden.
Die erweiterte Messunsicherheit ergibt sich durch Multiplikation mit einem geeigneten Erweiterungsfaktor:
U = k · uc
Der verwendete Erweiterungsfaktor und die zugehörige Überdeckungswahrscheinlichkeit müssen entsprechend dem angewendeten Verfahren angegeben werden.
17.10 Normativer Bezug
Für die Kalibrierung von Druckmessgeräten sind unter anderem DKD-R 6-1 und EURAMET cg-17 relevante messtechnische Leitfäden.
Bei Kalibrierungen nach ISO/IEC 17025 müssen außerdem die entsprechenden Anforderungen an Verfahren, Rückführung und Messunsicherheit berücksichtigt werden.
18. Kalibrierprotokoll und reproduzierbare Dokumentation
Ein aussagekräftiges Kalibrierprotokoll muss die Prüfbedingungen so beschreiben, dass das Ergebnis später nachvollzogen und bewertet werden kann.
18.1 Prüflingsdaten
Zu dokumentieren sind insbesondere:
- Hersteller und Gerätetyp.
- Seriennummer.
- Messzellenausführung.
- Konfigurierter Differenzdruckmessbereich.
- Maximal zulässiger statischer Betriebsdruck.
- Ausgangssignal und Kennlinie.
- Verwendete Geräte- beziehungsweise Firmwareversion, soweit relevant.
18.2 Prüfaufbau
Der verwendete Prüfaufbau sollte eindeutig beschrieben werden.
Hierzu gehören Druckversorgung, Regler, Referenzen, Druckleitungen, Ventile und relevante Anschlussbedingungen.
18.3 Statischer Prüfdruck
Besonders wichtig ist die Angabe des statischen Prüfdrucks.
Falls dieser über die Messreihe variiert, muss die verwendete Definition und der tatsächliche Druckverlauf nachvollziehbar sein.
18.4 Differenzdruck-Prüfpunkte
Alle angefahrenen Prüfpunkte und die zugehörigen Referenzwerte müssen dokumentiert werden.
18.5 Elektrische Messwerte
Die gemessenen Stromsignale und gegebenenfalls digitale Prozesswerte sollten eindeutig den jeweiligen Prüfpunkten zugeordnet werden.
18.6 Nullpunkt- und Messspannenfehler
Die Abweichungen können getrennt als Nullpunktfehler, Messspannenfehler und punktbezogene Messabweichungen ausgewertet werden.
18.7 Prüfbedingungen
Temperatur, Prüfmedium, Stabilisierung und relevante Einflussgrößen sind soweit erforderlich zu dokumentieren.
18.8 Messergebnisse vor und nach Justierung
Wenn eine Justierung durchgeführt wurde, müssen die Ergebnisse vor und nach der Änderung eindeutig unterscheidbar sein.
18.9 Rückführung und Messunsicherheit
Die Referenzgeräte und die ermittelte Messunsicherheit müssen entsprechend dem verwendeten Kalibrierverfahren dokumentiert werden.
18.10 Bewertung
Eine Gut-/Schlecht-Bewertung erfordert eindeutig festgelegte Toleranzen und eine geeignete Entscheidungsregel.
Die Bewertung darf nicht allein aus einer allgemeinen Herstellerangabe ohne Bezug zur konkreten Messzelle und den tatsächlichen Prüfbedingungen abgeleitet werden.
19. Drucksicherheit, Explosionsschutz und relevante Regelwerke
Bei hohen statischen Prüfdrucken gelten besondere Anforderungen an den Kalibrieraufbau.
19.1 Druckfestigkeit der Komponenten
Alle drucktragenden Komponenten müssen für die maximal möglichen Druckzustände ausgelegt sein.
Dazu gehören Regler, Referenzen, Druckleitungen, Ventile, Adapter und Anschlüsse.
19.2 Einseitige Druckbelastung
Ein hoher zulässiger gemeinsamer Druck darf nicht mit der zulässigen einseitigen Differenzdruckbelastung verwechselt werden.
Die Messzelle muss entsprechend den Herstellerangaben gegen unzulässige Differenzdrücke geschützt werden.
19.3 Druckausgleich
Ein geeigneter Druckausgleich kann helfen, kritische Druckzustände zu vermeiden.
Die hierfür erforderlichen Ventil- und Regelvorgänge müssen in einem geprüften Verfahren festgelegt sein.
19.4 Gespeicherte Druckenergie
Bei gasförmigen Prüfmedien kann die gespeicherte Druckenergie erheblich sein.
Die Auswahl des Prüfmediums und die Schutzmaßnahmen müssen deshalb zur Anwendung passen.
19.5 Elektrische Sicherheit
Bei der Strommessung, Spannungsversorgung und Kommunikation mit dem Transmitter sind die geltenden elektrischen Sicherheitsanforderungen zu berücksichtigen.
19.6 Explosionsgefährdete Bereiche
Bei Arbeiten in explosionsgefährdeten Bereichen müssen die konkrete Gerätezulassung, die elektrischen Anschlussbedingungen und das freigegebene Arbeitsverfahren beachtet werden.
Die Verfügbarkeit einer eigensicheren Gerätevariante bedeutet nicht, dass jede Kalibrierkonfiguration für den betreffenden Bereich geeignet ist.
19.7 Relevante Regelwerke
Je nach Anwendung sind insbesondere folgende Grundlagen relevant:
- DKD-R 6-1 für die Kalibrierung von Druckmessgeräten.
- EURAMET cg-17 für die Kalibrierung elektromechanischer und mechanischer Druckmessgeräte.
- ISO/IEC 17025 für die Kompetenzanforderungen an Prüf- und Kalibrierlaboratorien.
- Die jeweils anwendbaren Druckgeräte- und Arbeitsschutzvorschriften.
- Die Herstelleranleitungen für den Prüfling und die Kalibriereinrichtung.
Die tatsächliche Anwendbarkeit und der erforderliche Prüf- beziehungsweise Akkreditierungsumfang müssen für die konkrete Messaufgabe geprüft werden.
20. Systematischer Prüf- und Kalibrierablauf
Für eine wiederholbare Differenzdruckkalibrierung unter statischem Leitungsdruck empfiehlt sich ein dokumentierter Prüfablauf.
Die folgenden Schritte beschreiben die messtechnische Organisation einer geeigneten Prüfeinrichtung. Die tatsächlichen Ventil- und Druckregelvorgänge müssen entsprechend dem freigegebenen Sicherheitsverfahren erfolgen.
- Messaufgabe festlegen: Differenzdruckbereich, statischen Prüfdruck und benötigte Messunsicherheit bestimmen.
- Prüfling identifizieren: Hersteller, Modell, Messzelle, Seriennummer und Ausgangskennlinie dokumentieren.
- Gerätegrenzen prüfen: Maximal zulässigen statischen Druck und einseitige Differenzdruckbelastbarkeit feststellen.
- Herstellerverfahren prüfen: Vorgaben zum statischen Druckeinfluss und zu möglichen Kompensationsfunktionen berücksichtigen.
- Prüfstand auswählen: Für beide Druckseiten geeignete und sicher beherrschbare Druckregelung vorsehen.
- Differenzdruckreferenz prüfen: Eignung für Messspanne und gemeinsamen Prüfdruck sicherstellen.
- Prüfmedium auswählen: Medienverträglichkeit, Sicherheit und erforderliche Druckübertragung berücksichtigen.
- Aufbau kontrollieren: Druckleitungen, Ventile, Adapter und Anschlüsse überprüfen.
- Schutzeinrichtungen prüfen: Maßnahmen gegen unzulässige Druckzustände und einseitige Überlast bestätigen.
- Elektrische Messung vorbereiten: Strommessung, Versorgung und gegebenenfalls HART-Kommunikation kontrollieren.
- Ausgangsparametrierung erfassen: Messbereich, lineare beziehungsweise radizierende Kennlinie und Fehlerstrategie dokumentieren.
- Erste Vergleichsprüfung durchführen: Falls vorgesehen, die Kennlinie unter niedrigen statischen Druckbedingungen erfassen.
- Gemeinsamen Prüfdruck herstellen: Den festgelegten statischen Druck mit dem freigegebenen Druckregel- und Sicherheitsverfahren anlegen.
- Druckstabilität prüfen: Einschwing- und Temperaturbedingungen beurteilen.
- Nullpunkt erfassen: Bei nachweislich gleichem Druck an H- und L-Seite den Ausgangswert dokumentieren.
- Differenzdruck-Prüfpunkte anfahren: Die vorgegebenen kleinen Druckdifferenzen mit geeigneter Regelung und Referenz einstellen.
- Steigende Messreihe dokumentieren: Referenzdruck, statisches Druckniveau und Ausgangssignal erfassen.
- Fallende Messreihe dokumentieren: Hysterese und Wiederholverhalten entsprechend dem Kalibrierverfahren überprüfen.
- Nullpunkt erneut kontrollieren: Mögliche bleibende oder zeitabhängige Veränderungen bewerten.
- Druck kontrolliert abbauen: Das System entsprechend dem freigegebenen Verfahren sicher entlasten.
- Messabweichungen berechnen: Nullpunkt, Kennlinie und Messspanne getrennt auswerten.
- Messunsicherheit ermitteln: Referenz, statischen Druck, Stabilität, elektrische Messung und weitere Einflussgrößen berücksichtigen.
- Justierung gegebenenfalls durchführen: Nur nach Herstellervorgaben und mit eindeutiger Dokumentation.
- Nachprüfung durchführen: Falls justiert wurde, die relevanten Prüfpunkte erneut kontrollieren.
- Kalibrierprotokoll erstellen: Prüfbedingungen, Ergebnisse, Unsicherheit und gegebenenfalls Konformitätsbewertung dokumentieren.
Ein solcher Ablauf ermöglicht die systematische Bewertung des Transmitters unter definierten statischen Druckbedingungen.
Er ersetzt jedoch keine für den konkreten Prüfstand erforderliche Drucksicherheitsfreigabe.
21. Typische Fehlerbilder und gezielte Diagnose
Bei auffälligen Differenzdruckmesswerten muss zwischen Gerätefehlern, Prüfaufbau und tatsächlichen Prozessbedingungen unterschieden werden.
Besonders unter hohem statischem Leitungsdruck können unterschiedliche Fehlerursachen ähnliche Messabweichungen hervorrufen.
| Fehlerbild | Mögliche Ursache | Geeignete Diagnose |
|---|---|---|
| Nullpunkt bei Umgebungsdruck korrekt, bei 40 bar verschoben | Statischer Druckeinfluss auf die Messzelle | Nullpunkt bei definierten gemeinsamen Druckniveaus vergleichen |
| Messspanne unter hohem statischem Druck verändert | Statischer Druckeinfluss auf die Sensorempfindlichkeit | Mehrpunktprüfung unter Betriebsdruck durchführen und Herstellerangaben prüfen |
| Nullpunkt nach Druckentlastung verändert | Hysterese, thermischer Einfluss oder mögliche Überlast | Messfolge, Druckverlauf und Gerätezustand untersuchen |
| Druckreferenz schwankt bei kleinen Differenzen | Unzureichende Regelstabilität oder ungeeignete Referenz | Referenzmesskette und Druckstabilisierung prüfen |
| Messwert driftet nach Druckaufbau | Thermischer Einschwingvorgang oder Undichtheit | Temperatur, Dichtheit und Stabilisierung beurteilen |
| Große Differenz zwischen zwei Druckreferenzen | Kalibrierabweichung, unterschiedliche Druckreferenz oder hydrostatischer Einfluss | Druckart, Anschlusshöhe und Unsicherheitsbudget vergleichen |
| Digitaler Differenzdruckwert korrekt, mA-Signal falsch | Analogausgang, Stromskalierung oder elektrische Messkette | Digitale Prozessvariable und Stromausgang getrennt prüfen |
| Messstrom verändert sich nicht linear mit Differenzdruck | Radizierende Kennlinie oder andere konfigurierte Funktion | Ausgangskennlinie und HART-Parameter prüfen |
| Messung in der Werkstatt korrekt, im Betrieb abweichend | Statischer Druck, Wirkdruckleitung, Temperatur oder Einbaubedingungen | Betriebs- und Kalibrierbedingungen systematisch vergleichen |
| Unterschiedliche Ergebnisse bei steigenden und fallenden Prüfpunkten | Hysterese der Messzelle oder des Prüfaufbaus | Wiederholte Messreihen unter definierten Bedingungen durchführen |
| Nullpunktkorrektur verbessert nur den unteren Messbereich | Zusätzlicher Messspannen- oder Kennlinienfehler | Mehrpunktprüfung und herstellerspezifischen Abgleich bewerten |
| Unplausibler Differenzdruck nach Wartung | Falsche Anschlusszuordnung, Gasblasen, veränderte Füllsäulen oder Ventilstellung | Messstellenaufbau und Prozessleitungen nach freigegebenem Verfahren prüfen |
Die aufgeführten Ursachen sind mögliche Diagnoseansätze und keine eindeutigen Fehlernachweise.
Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen müssen Auffälligkeiten entsprechend den vorgesehenen Prüf- und Schutzverfahren bewertet werden.
22. Passende ICS-Produkte für die Differenzdruckkalibrierung
ICS Schneider Messtechnik bietet unterschiedliche Präzisions-Druckregler, Druckkalibratoren, Druckreferenzmodule und Prozesskalibratoren für industrielle Kalibrieraufgaben an.
Bei der Kalibrierung von Differenzdrucktransmittern unter hohem statischem Druck ist zwischen den Funktionen Druckerzeugung, Druckregelung, Differenzdruckreferenz und elektrischer Messung zu unterscheiden.
Für die vollständige Prüfung wird eine geeignete Kombination dieser Funktionen benötigt.
22.1 Druck PACE6000E – Zweikanal-Präzisionsdruckregler
Der Druck PACE6000E ist ein modularer Zweikanal-Präzisionsdruckregler für anspruchsvolle Labor-, Prüfstand- und Produktionsanwendungen.
Das Gerät kann mit zwei austauschbaren PACE-CM-Regelmodulen betrieben werden.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Zweikanal-Reglergehäuse.
- Unabhängig regelbare Druckkanäle in geeigneten Konfigurationen.
- Druckbereiche von 25 mbar bis 210 bar innerhalb der verfügbaren Modulvarianten.
- Sehr hohe Regel- und Messgenauigkeit abhängig vom gewählten CM-Modul.
- Präzisions-Regelmodule CM0, CM1, CM2 und CM3.
- Automatisierte Druckregelung.
- Verschiedene digitale Kommunikationsschnittstellen.
- Geeignet für automatisierte Kalibrier- und Prüfstandsanwendungen.
Aufgrund seiner zwei Druckkanäle ist der PACE6000E besonders interessant für die Entwicklung geeigneter Prüfstände, bei denen zwei definierte Druckniveaus benötigt werden.
Für die Differenzdruckkalibrierung unter hohem statischem Druck müssen jedoch die konkrete Modulauswahl, die Differenzdruckreferenz, die Druckführung und das Schutzkonzept geprüft werden.
Der Zweikanalbetrieb allein ist keine Zusicherung, dass sich damit ohne zusätzliche Maßnahmen ein kleiner Differenzdruck bei hohem gemeinsamem Leitungsdruck sicher und mit der erforderlichen Unsicherheit erzeugen lässt.
Eine geeignete Sicherheits- und Regelstrategie muss insbesondere unzulässige Differenzdruckzustände während dynamischer Regelvorgänge verhindern.
Weitere Informationen: Druck PACE6000E bei ICS Schneider Messtechnik
22.2 Druck PACE5000E – Einkanal-Präzisionsdruckregler
Der Druck PACE5000E ist ein modularer Präzisionsdruckregler mit einem Regelkanal.
Er eignet sich für anspruchsvolle Kalibrieraufgaben in Labor, Produktion und Prüfstand.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Einkanal-Druckreglergehäuse.
- Austauschbare PACE-CM-Regelmodule.
- Druckbereiche von 25 mbar bis 210 bar.
- Hohe Druckregelstabilität.
- Automatische Einstellung von Prüfdruck-Sollwerten.
- Verschiedene Genauigkeitsklassen abhängig vom Modul.
- Digitale Schnittstellen zur Prüfstandsintegration.
Der PACE5000E kann als Bestandteil eines geeigneten Druckprüfaufbaus verwendet werden.
Ein einzelner Regelkanal ist jedoch nicht automatisch ausreichend, um sowohl den hohen statischen Druck als auch einen unabhängig einstellbaren kleinen Differenzdruck an einem Zweikammer-Transmitter zu erzeugen.
Hierfür muss eine geeignete zusätzliche Druck- und Referenzanordnung vorgesehen werden.
Weitere Informationen: Druck PACE5000E bei ICS Schneider Messtechnik
22.3 Druck DPI610E – Portabler Druckkalibrator
Der Druck DPI610E kombiniert Druckerzeugung, Druckmessung und elektrische Kalibrierfunktionen in einem portablen Gerät.
Er eignet sich für zahlreiche Prüf- und Kalibrieraufgaben an industriellen Drucktransmittern.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Integrierte pneumatische Druckerzeugung bis 35 bar in geeigneten Ausführungen.
- Hydraulische Ausführungen für Druckbereiche bis 1.000 bar.
- Druckmessgenauigkeit bis zu 0,025 % des Endwerts gemäß der spezifizierten Konfiguration.
- HART-Kommunikation.
- Elektrische Mess- und Kalibrierfunktionen.
- Datenspeicherung und dokumentierende Funktionen.
- Optionaler Anschluss externer PM700E-Druckreferenzmodule.
- Geeignete eigensichere Ausführungen.
Der DPI610E ist insbesondere für mobile Kalibrieraufgaben und die Überprüfung von Drucktransmittern vor Ort interessant.
Für die Untersuchung eines Differenzdrucktransmitters unter hohem statischem Leitungsdruck muss jedoch eine geeignete zusätzliche Druckanordnung zur Beaufschlagung beider Seiten vorgesehen werden.
Eine integrierte Druckpumpe allein ersetzt keine für hohen gemeinsamen Druck geeignete Differenzdruckreferenz.
Weitere Informationen: Druck DPI610E bei ICS Schneider Messtechnik
22.4 Druck PM700E – Externe Druckreferenzmodule
Die Druck PM700E Serie umfasst externe Druckreferenzmodule zur Verwendung mit dem DPI610E.
Sie erweitern die verfügbaren Messbereiche und ermöglichen die Verwendung unterschiedlicher Druckreferenzen.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Verschiedene Druckmessbereiche von 25 mbar bis 1.400 bar innerhalb der Produktfamilie.
- Ausführungen für Relativdruck, Absolutdruck, Differenzdruck und Barometrie.
- Genauigkeitsvarianten bis zu ±0,025 % FS.
- Plug-and-Play-Erkennung durch den DPI610E.
- Individuell gespeicherte Kalibrierdaten.
- Verschiedene Druckanschlussoptionen.
- Geeignete Ausführungen für explosionsgefährdete Bereiche.
Die verfügbaren Differenzdruckvarianten sind besonders interessant für entsprechende Differenzdruck-Kalibrieraufgaben.
Bei einer Anwendung unter 40 bar oder einem anderen hohen gemeinsamen Druck muss jedoch geprüft werden, ob das ausgewählte Differenzdruckmodul ausdrücklich für diesen statischen Druck an beiden Anschlüssen geeignet ist.
Der höchste Druckmessbereich der gesamten Modulserie darf nicht mit der zulässigen statischen Belastung jedes Differenzdruckmoduls gleichgesetzt werden.
Weitere Informationen: Druck PM700E bei ICS Schneider Messtechnik
22.5 Druck DPI620 Genii – Multifunktions-Prozesskalibrator
Der Druck DPI620 Genii ist ein modularer Multifunktionskalibrator für elektrische und druckbezogene Prozessmessungen.
Er kann mit geeigneten Druckmodulen und Druckbasisstationen kombiniert werden.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Elektrische Prozesskalibrierfunktionen.
- Verschiedene Gerätevarianten mit HART- und weiteren Kommunikationsfunktionen.
- Modularer Anschluss von Druckmessmodulen.
- Druckbereiche abhängig von Modul und Basisstation.
- Messung und Simulation industrieller Standardsignale.
- Dokumentations- und Datenverarbeitungsfunktionen.
- Ergänzung durch geeignete manuelle oder automatische Druckerzeugungssysteme.
Der DPI620 Genii ist besonders interessant für die elektrische Prüfung intelligenter Differenzdrucktransmitter.
Er ermöglicht je nach Konfiguration die Kontrolle von Ausgangsstrom, Parametrierung und digitalen Prozesswerten.
Die Druckbeaufschlagung beider Transmitterseiten unter hohem statischem Druck muss durch einen gesondert geeigneten Aufbau erfolgen.
Weitere Informationen: Druck DPI620 Genii bei ICS Schneider Messtechnik
22.6 WIKA CPH7000 – Portabler Prozesskalibrator
Der WIKA CPH7000 ist ein portabler Prozesskalibrator für Druckmess- und Prozesskalibrieraufgaben.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Integrierte manuelle Druckerzeugung von -0,85 bis +25 bar.
- Genauigkeit von 0,025 % FS in geeigneten Konfigurationen.
- Strommessung und Stromsimulation im Bereich bis 24 mA.
- 24-V-Transmitterspeisung.
- Datenloggerfunktionen.
- Dokumentierende Kalibrierfunktionen.
- Geeignete Ex-Ausführungen.
- Verbindung mit WIKA-Cal für Auswertung und Dokumentation.
Der CPH7000 kann für zahlreiche Kalibrieraufgaben an analogen und intelligenten Prozesstransmittern eingesetzt werden.
Für eine Differenzdruckkalibrierung mit 40 bar statischem Leitungsdruck reicht seine integrierte Druckerzeugung bis 25 bar allein nicht aus.
Ein entsprechender Prüfaufbau benötigt daher andere oder zusätzliche, ausdrücklich geeignete Komponenten.
Weitere Informationen: WIKA CPH7000 bei ICS Schneider Messtechnik
22.7 Siemens SITRANS P320 – Industrieller Prozesstransmitter
Der Siemens SITRANS P320 ist ein digitaler Prozesstransmitter für industrielle Druckmessaufgaben.
Die Produktfamilie umfasst geeignete Varianten zur Messung von Relativdruck, Absolutdruck und Differenzdruck sowie für darauf basierende Durchfluss- und Füllstandanwendungen.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Digitale Messwerterfassung.
- HART-Kommunikation.
- Umfangreiche Diagnosefunktionen.
- Messgenauigkeit bis 0,065 % in den entsprechend spezifizierten Varianten.
- Verschiedene Druckmesszellen und Messbereiche.
- Werkstoff- und Prozessanschlussoptionen für anspruchsvolle Anwendungen.
- Geeignete Ex-Ausführungen.
- Ausführungen für entsprechende sicherheitsbezogene Anwendungen.
Der SITRANS P320 ist ein Beispiel für einen modernen intelligenten Prozessdrucktransmitter, bei dem die genaue Kenntnis der Messzellenausführung und der herstellerseitigen Parametrier- und Justierfunktionen wichtig ist.
Bei der Differenzdruckprüfung müssen insbesondere die zulässigen Druckgrenzen, die Ausgangskennlinie und die zugehörigen Siemens-Anweisungen berücksichtigt werden.
Weitere Informationen: Siemens SITRANS P320 bei ICS Schneider Messtechnik
22.8 Auswahl einer vollständigen Differenzdruck-Kalibriereinrichtung
Für die technische Auswahl einer geeigneten Prüfeinrichtung sollten folgende Angaben bekannt sein:
- Hersteller und Typ des Differenzdrucktransmitters.
- Konfigurierter Differenzdruckmessbereich.
- Obere Messbereichsgrenze der Messzelle.
- Erwarteter statischer Leitungsdruck.
- Maximal zulässiger statischer Druck.
- Maximal zulässiger einseitiger Differenzdruck.
- Erforderliche Genauigkeit beziehungsweise Messunsicherheit.
- Verwendetes Prüfmedium.
- Gewünschte Prüfpunkte.
- Steigende und fallende Prüfrichtung.
- Analoge und digitale Ausgangssignale.
- Erforderliche HART- oder weitere Kommunikationsfunktionen.
- Vorhandene Prozessanschlüsse und Ventilblöcke.
- Stationäre oder mobile Kalibrierung.
- Erforderliche Druckregel- und Sicherheitsfunktionen.
- Kalibrierung mit oder ohne anschließende Justierung.
- Gewünschte Dokumentation und Anforderungen an die Rückführung.
Auf dieser Grundlage kann eine geeignete Kombination aus Druckreglern, Differenzdruckreferenz, Prozesskalibrator und Sicherheitskomponenten zusammengestellt werden.
Zur Kalibriertechnik bei ICS Schneider Messtechnik
23. Fazit: Nullpunkt und Messspanne unter realistischen Bedingungen prüfen
Die Kalibrierung von Differenzdrucktransmittern unter statischem Leitungsdruck stellt besondere Anforderungen an Prüfaufbau, Druckreferenz und Messunsicherheit.
Der Grund liegt im Verhältnis zwischen dem vergleichsweise kleinen Differenzdruckmessbereich und dem wesentlich höheren gemeinsamen Druckniveau.
Ein Transmitter kann beispielsweise einen Differenzdruck von nur 250 mbar erfassen, während beide Prozessanschlüsse unter ungefähr 40 bar Leitungsdruck stehen.
In einer idealen Messzelle würde der gemeinsame Druck das Ergebnis nicht beeinflussen. In der Realität können jedoch hersteller- und messzellenabhängige Nullpunkt- und Messspanneneffekte auftreten.
Eine gewöhnliche Kalibrierung unter Umgebungsdruck kann diese Einflüsse möglicherweise nicht vollständig sichtbar machen.
Deshalb kann eine zusätzliche Prüfung unter einem definierten statischen Leitungsdruck sinnvoll sein, insbesondere wenn hohe Anforderungen an Messgenauigkeit und Prozesssicherheit bestehen.
Wichtig ist dabei zunächst die Unterscheidung zwischen statischem Druck und Differenzdruck.
Der zulässige gemeinsame Leitungsdruck darf nicht mit der maximal zulässigen einseitigen Belastung der Messzelle verwechselt werden.
Ein geeigneter Prüfaufbau muss deshalb beide Druckseiten sicher beaufschlagen und gleichzeitig einen kleinen Differenzdruck präzise einstellen und messen können.
Auch die Auswahl der Referenz ist entscheidend.
Eine Differenzdruckreferenz muss nicht nur eine geringe Messunsicherheit im gewünschten Differenzdruckbereich besitzen, sondern auch für den vorgesehenen hohen statischen Druck geeignet sein.
Die rechnerische Differenz aus zwei großen Einzeldruckwerten ist nicht automatisch gleichwertig mit einer direkten Präzisions-Differenzdruckmessung.
Das Rechenbeispiel zeigt außerdem, weshalb Nullpunkt und Messspanne getrennt betrachtet werden müssen.
Eine Nullpunktverschiebung verändert den Ausgangswert bei Differenzdruck null. Ein Messspannenfehler verändert dagegen die Empfindlichkeit über den Messbereich.
Beide Einflüsse können gleichzeitig auftreten.
Eine reine Nullpunktjustierung beseitigt daher nicht zwangsläufig sämtliche Abweichungen unter hohem statischem Druck.
Für eine belastbare Kalibrierung sollten mehrere Differenzdruck-Prüfpunkte unter definierten statischen Druckbedingungen untersucht werden.
Steigende und fallende Messreihen können zusätzlich Hinweise auf Hysterese und Wiederholverhalten liefern.
Die Ergebnisse müssen einschließlich Prüfdruck, Referenzgeräten, Stabilisierung, Messunsicherheit und gegebenenfalls vorgenommener Justierungen nachvollziehbar dokumentiert werden.
Bei der Geräteauswahl können präzise Druckregler wie der Druck PACE6000E, geeignete Druckreferenzmodule und dokumentierende Prozesskalibratoren eine wichtige Rolle übernehmen.
Entscheidend ist jedoch immer die Eignung der vollständigen Prüfeinrichtung für die tatsächliche Kombination aus hohem statischem Druck und kleiner Druckdifferenz.
Die entscheidende Erkenntnis lautet: Ein Differenzdrucktransmitter sollte nicht allein danach beurteilt werden, ob er bei Umgebungsdruck den richtigen Differenzdruck anzeigt. Für anspruchsvolle Anwendungen muss auch geprüft werden, wie sich Nullpunkt und Messspanne unter dem tatsächlich relevanten statischen Leitungsdruck verhalten. Nur eine geeignete Druckreferenz, ein sicherer Prüfaufbau und eine nachvollziehbare Messunsicherheitsbewertung ermöglichen belastbare Kalibrierergebnisse.
24. Häufig gestellte Fragen zur Differenzdruckkalibrierung
24.1 Warum sollte ein Differenzdrucktransmitter unter statischem Leitungsdruck kalibriert werden?
Der statische Leitungsdruck kann je nach Messzellentechnologie Nullpunkt und Messspanne eines Differenzdrucktransmitters beeinflussen. Eine Kalibrierung unter Umgebungsdruck zeigt diese Effekte möglicherweise nicht vollständig. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen kann deshalb eine zusätzliche Prüfung unter dem tatsächlichen oder einem definierten statischen Betriebsdruck sinnvoll sein.
24.2 Was ist der statische Druck bei einem Differenzdrucktransmitter?
Der statische Druck beschreibt das gemeinsame Druckniveau, unter dem die beiden Prozessanschlüsse arbeiten. Beispielsweise können auf beiden Seiten ungefähr 40 bar anliegen, während die gemessene Differenz nur 100 mbar beträgt. Die genaue Definition des statischen Drucks muss bei Berechnungen und Herstellerangaben berücksichtigt werden.
24.3 Was ist der Unterschied zwischen statischem Druck und Differenzdruck?
Der Differenzdruck ist die Druckdifferenz zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite. Der statische Druck beschreibt dagegen das gemeinsame Druckniveau. Ein Transmitter kann deshalb bei einem hohen statischen Druck eine sehr kleine Druckdifferenz messen. Beide Druckgrößen müssen bei der Kalibrierung getrennt betrachtet werden.
24.4 Kann ein hoher statischer Druck den Nullpunkt verschieben?
Ja. Bei bestimmten Differenzdruckmesszellen kann ein hoher gemeinsamer Druck zu einer Nullpunktverschiebung führen. Das Gerät zeigt dann trotz gleichem Druck auf beiden Seiten einen von null abweichenden Differenzdruck an. Die Größe des Effekts ist geräte- und messzellenabhängig.
24.5 Kann der statische Leitungsdruck auch die Messspanne verändern?
Ja. Neben einem Nullpunktoffset kann bei bestimmten Messzellen auch die Empfindlichkeit verändert werden. Dadurch weicht die Ausgangsspanne vom idealen Wert ab. Eine reine Nullpunktkorrektur beseitigt diesen Effekt nicht zwangsläufig. Für eine vollständige Bewertung ist daher eine Prüfung mehrerer Differenzdruckpunkte notwendig.
24.6 Ist eine Kalibrierung bei Umgebungsdruck grundsätzlich falsch?
Nein. Eine Kalibrierung bei Umgebungsdruck kann für viele Prüfaufgaben geeignet sein und liefert gültige Ergebnisse für die dokumentierten Bedingungen. Sie weist jedoch nicht automatisch nach, dass derselbe Transmitter unter hohem statischem Leitungsdruck dieselben Messabweichungen besitzt. Der erforderliche Prüfumfang hängt von der Anwendung und den Herstellervorgaben ab.
24.7 Wie wird bei 40 bar statischem Druck ein Differenzdruck von 100 mbar erzeugt?
Für den betrachteten Druckzustand können beispielsweise auf der Niederdruckseite 40,00 bar und auf der Hochdruckseite 40,10 bar anliegen. Daraus ergibt sich ein Differenzdruck von 100 mbar. Die sichere Herstellung solcher Zustände erfordert jedoch einen geeigneten und freigegebenen Prüfaufbau, der unzulässige einseitige Differenzdrücke verhindert.
24.8 Kann man einen Differenzdrucktransmitter mit zwei Druckreglern kalibrieren?
Grundsätzlich kann ein geeigneter Prüfstand mit zwei Druckregelkanälen aufgebaut werden. Die beiden Drücke müssen dabei so kontrolliert werden, dass die zulässige Differenzdruckbelastung des Prüflings nicht überschritten wird. Zusätzlich ist eine ausreichend genaue Differenzdruckreferenz erforderlich. Zwei unabhängig arbeitende Standardregler allein gewährleisten noch keinen sicheren oder metrologisch ausreichenden Aufbau.
24.9 Welche Druckreferenz eignet sich für kleine Differenzdrücke bei hohem Leitungsdruck?
Geeignet ist eine Referenz, die den gewünschten kleinen Differenzdruck ausreichend genau erfassen kann und gleichzeitig für den hohen gemeinsamen statischen Druck zugelassen ist. Beide Anforderungen müssen erfüllt sein. Bei der Auswahl sind insbesondere Messunsicherheit, statische Druckfestigkeit und möglicher statischer Druckeinfluss der Referenz zu prüfen.
24.10 Kann man den Differenzdruck aus zwei hochgenauen Einzeldrucksensoren berechnen?
Ja, grundsätzlich lässt sich der Differenzdruck aus zwei Einzeldruckmessungen berechnen. Bei kleinen Differenzdrücken auf hohem Druckniveau können sich jedoch die Messunsicherheiten der beiden großen Druckwerte stark auf das Ergebnis auswirken. Die kombinierte Unsicherheit muss einschließlich möglicher Korrelationen bewertet werden. Zwei hochgenaue Einzeldrucksensoren ersetzen deshalb nicht automatisch eine geeignete Differenzdruckreferenz.
24.11 Muss der Nullpunkt unter Betriebsdruck justiert werden?
Das hängt von der Geräteausführung und den Herstellerangaben ab. Für bestimmte Transmitter kann eine Nullpunktjustierung bei gleichem Druck auf beiden Seiten unter Betriebsbedingungen vorgesehen sein. Andere Geräte besitzen entsprechende interne Kompensationsfunktionen. Eine Justierung sollte nur nach der dafür freigegebenen Herstellerprozedur erfolgen.
24.12 Warum reicht eine Nullpunktjustierung manchmal nicht aus?
Weil der statische Druck nicht nur einen konstanten Offset verursachen, sondern auch die Empfindlichkeit der Messzelle verändern kann. Eine Nullpunktjustierung korrigiert nicht zwangsläufig den Messspannenfehler. Deshalb sollten bei entsprechenden Anforderungen auch die oberen und mittleren Differenzdruck-Prüfpunkte kontrolliert werden.
24.13 Was bedeutet ein Messspannenfehler von -0,5 %?
Ein Messspannenfehler von -0,5 % bedeutet im beschriebenen Beispiel, dass die tatsächliche Ausgangsspanne um 0,5 % kleiner als die ideale Spanne ist. Bei einer konfigurierten Differenzdruckspanne von 250 mbar entspricht dies einer Spannendifferenz von -1,25 mbar. Der gesamte punktbezogene Messfehler kann zusätzlich einen Nullpunktanteil enthalten.
24.14 Welche Bedeutung hat der Turn-down bei der Differenzdruckkalibrierung?
Der Turn-down beschreibt das Verhältnis zwischen der oberen verfügbaren Messspanne und einer kleineren konfigurierten Messspanne. Bei stark reduzierten Messspannen können bestimmte Fehleranteile relativ zur eingestellten Spanne stärker ins Gewicht fallen. Deshalb müssen die Genauigkeits- und Einflussangaben immer auf die konkrete Messzellenausführung und Skalierung bezogen werden.
24.15 Welche Fehler können durch Wirkdruckleitungen entstehen?
Wirkdruckleitungen können zusätzliche Messabweichungen verursachen, beispielsweise durch Gasblasen, ungleiche Flüssigkeitssäulen, Verstopfungen oder Undichtheiten. Solche Einflüsse sind von einem eigentlichen Messzellenfehler zu unterscheiden. Bei auffälligen Prozessmesswerten sollten deshalb auch die Anschluss- und Wirkdruckleitungen untersucht werden.
24.16 Welche Angaben gehören in ein Kalibrierprotokoll bei statischem Leitungsdruck?
Wichtig sind Prüflingsidentifikation, konfigurierter Differenzdruckbereich, statischer Prüfdruck, Druckreferenzen, elektrische Messwerte, Prüfpunkte, Prüfmedium, relevante Umgebungsbedingungen und Messunsicherheit. Falls eine Justierung vorgenommen wurde, sollten die Ergebnisse vor und nach der Justierung getrennt dokumentiert werden. Eine Konformitätsbewertung benötigt außerdem festgelegte Toleranzen und eine geeignete Entscheidungsregel.
24.17 Welcher Druckkalibrator eignet sich für eine Differenzdruckprüfung bei 40 bar Leitungsdruck?
Für einen stationären Prüfstand kann beispielsweise ein geeignet konfigurierter Druck PACE6000E mit zwei Druckregelkanälen als Teil der Druckerzeugung und -regelung infrage kommen. Zusätzlich werden eine geeignete Differenzdruckreferenz und ein sicherer Prüfaufbau benötigt. Die Eignung hängt vom konkreten Messbereich, statischen Druck und den Anforderungen an die Messunsicherheit ab. Ein beliebiger tragbarer Differenzdruckkalibrator ist für diese Bedingungen nicht automatisch geeignet.
24.18 Welche Normen und Richtlinien sind für die Differenzdruckkalibrierung relevant?
Für die Kalibrierung von Druckmessgeräten sind insbesondere DKD-R 6-1 und EURAMET cg-17 relevante technische Grundlagen. Für akkreditierte Kalibrierlaboratorien gelten zusätzlich die entsprechenden Anforderungen der ISO/IEC 17025. Die tatsächliche Anwendung der Verfahren muss zum Messbereich, zur Druckart, zu den Prüfbedingungen und zum jeweiligen Akkreditierungsumfang passen.