Ein Kalibrierlabor muss Drucksensoren mit Messbereichen von 0 ... 1 bar, 0 ... 10 bar und 0 ... 70 bar prüfen. Ein Druckcontroller mit einem 70-bar-Modul kann den benötigten Druckbereich grundsätzlich abdecken. Trotzdem stellt sich eine wichtige Frage: Ist dieses Modul auch bei einem Prüfdruck von beispielsweise 500 mbar die messtechnisch beste Referenz?
Nicht unbedingt. Entscheidend ist nicht nur, ob ein Druckcontroller einen bestimmten Druck erzeugen kann. Für eine Kalibrierung muss zusätzlich geprüft werden, welche Messunsicherheit beziehungsweise Genauigkeit die aktive Referenz bei diesem Druck besitzt. Besonders bei Spezifikationen mit einem Anteil vom Messbereichsendwert kann ein großer Referenzmessbereich bei kleinen Drücken ungünstig sein.
Modulare Druckcontroller können deshalb mit mehreren Mess- beziehungsweise Regelbereichen ausgestattet werden. Beim Auto-Ranging stehen diese Bereiche gleichzeitig zur Verfügung und das System kann abhängig vom benötigten Prüfdruck den geeigneten Bereich verwenden. Dadurch lässt sich ein großer Gesamtdruckbereich abdecken, ohne für jede Prüfaufgabe manuell ein anderes Referenzgerät anschließen zu müssen.
Auto-Ranging erweitert deshalb nicht einfach nur den verfügbaren Druckbereich. Richtig eingesetzt sorgt es dafür, dass für kleine und große Prüfdrucke jeweils ein geeigneter Referenzbereich verwendet wird und die Messunsicherheit nicht unnötig durch einen zu großen Messbereich verschlechtert wird.
Warum beeinflusst der Messbereich die Messunsicherheit?
Bei einem Druckcontroller wird die Qualität einer Messung nicht allein durch die Anzahl der angezeigten Stellen bestimmt. Maßgeblich ist die Spezifikation des eingesetzten Druckmessmoduls.
Ein Teil der Fehlerangabe kann sich beispielsweise auf den Messwert beziehen, ein anderer auf den Messbereich beziehungsweise Full Scale. Gerade ein Full-Scale-Anteil bleibt als absoluter Druckwert bestehen, auch wenn nur ein kleiner Teil des Messbereiches genutzt wird.
Ein stark vereinfachtes Beispiel verdeutlicht das Prinzip. Angenommen, zwei Referenzmodule hätten denselben relativen Full-Scale-Anteil:
| Modul | Messbereichsendwert | Gleicher angenommener FS-Anteil | Resultierender absoluter Anteil |
|---|---|---|---|
| Niederdruckmodul | 1 bar |
x % FS |
x % von 1 bar |
| Hochdruckmodul | 70 bar |
x % FS |
x % von 70 bar |
Obwohl der prozentuale Wert identisch wäre, wäre der absolute Fehlerbeitrag beim 70-bar-Modul entsprechend größer.
Die tatsächlichen Spezifikationen eines konkreten PACE-Moduls müssen selbstverständlich aus dessen Datenblatt beziehungsweise Kalibrierunterlagen verwendet werden. Das Beispiel zeigt lediglich, warum die Bereichsauswahl grundsätzlich Einfluss auf die erreichbare Unsicherheit haben kann.
Was bedeutet eine Genauigkeitsangabe in % FS?
FS steht für Full Scale, also den Messbereichsendwert.
Hat ein Druckmodul beispielsweise einen Bereich von:
0 ... 10 bar
dann entspricht:
FS = 10 bar
Ein Fehleranteil in Prozent FS wird auf diesen Endwert bezogen und nicht auf den momentan gemessenen Druck.
Genau deshalb sollte bei einer Kalibrieraufgabe mit kleinen Drücken geprüft werden, ob ein kleinerer verfügbarer Referenzbereich verwendet werden kann.
% vom Messwert und % vom Messbereich unterscheiden
Eine Angabe in Prozent vom Messwert verhält sich anders als eine Angabe in Prozent vom Messbereich.
| Spezifikation | Bezugsgröße | Verhalten bei kleinem Prüfdruck |
|---|---|---|
% vom Messwert |
Aktuell gemessener Druck | Absoluter Fehleranteil wird mit kleinerem Druck ebenfalls kleiner |
% FS |
Messbereichsendwert | Absoluter Anteil bleibt vom Endwert des Bereiches abhängig |
| Kombinierte Angabe | Messwert + FS beziehungsweise weitere Komponenten | Beide Beiträge müssen berücksichtigt werden |
Bei hochwertigen Druckreferenzen können zusätzlich Langzeitstabilität, Temperatur, Kalibrierunsicherheit, Nullpunktverhalten und weitere Komponenten Teil der Spezifikation beziehungsweise des Messunsicherheitsbudgets sein.
Deshalb darf ein einzelner Zahlenwert aus einem Datenblatt nicht ohne seinen vollständigen Bezugsrahmen interpretiert werden.
Warum sind mehrere Messmodule sinnvoll?
Ein Kalibrierlabor bearbeitet häufig Prüflinge mit sehr unterschiedlichen Druckbereichen. Ein einziges sehr großes Modul kann zwar viele dieser Drücke erzeugen, ist messtechnisch jedoch nicht zwangsläufig für jeden Teilbereich optimal.
Eine modulare Lösung kann beispielsweise zwei Bereiche kombinieren:
- einen präzisen Niederdruckbereich für kleine Drucksensoren,
- einen größeren Druckbereich für industrielle Hochdrucktransmitter.
Damit stehen beide Referenzbereiche ohne mechanischen Umbau zur Verfügung.
Der Anwender muss nicht zwischen mehreren separaten Druckcontrollern wechseln und reduziert gleichzeitig das Risiko, versehentlich einen ungünstigen Referenzbereich für einen kleinen Prüfling zu verwenden.
Wie funktioniert Auto-Ranging?
Beim Auto-Ranging stehen mehrere installierte Mess- beziehungsweise Regelbereiche innerhalb desselben Systems zur Verfügung.
Der Druckcontroller verwendet abhängig vom benötigten Druck den geeigneten verfügbaren Bereich. Ziel ist, über einen großen Gesamtdruckbereich eine möglichst günstige messtechnische Performance zu erreichen.
Ein typisches Laborsystem könnte beispielsweise enthalten:
- Modul A: niedriger Druckbereich,
- Modul B: hoher Druckbereich.
Bei kleinen Prüfdrucken wird der kleinere Bereich genutzt. Steigt der benötigte Druck über dessen verfügbaren Bereich hinaus, steht der größere Bereich zur Verfügung.
Beim Druck PACE6000E können zwei Regelmodule installiert und unter anderem im Auto-Ranging-Modus betrieben werden.
Was passiert beim Wechsel zwischen den Bereichen?
Der Wechsel zwischen zwei Referenzbereichen sollte messtechnisch nicht wie ein unsichtbarer Vorgang behandelt werden.
Für eine hochwertige Kalibrierung ist wichtig zu wissen, welcher Bereich bei den jeweiligen Prüfpunkten aktiv ist. Insbesondere bei einer Messreihe, die über den Umschaltbereich hinwegführt, können sich unterschiedliche Modulspezifikationen auf die Unsicherheitsberechnung auswirken.
Ein Prüfablauf sollte deshalb so ausgelegt werden, dass:
- die eingesetzten Module eindeutig bekannt sind,
- deren gültige Kalibrierungen vorliegen,
- die jeweilige Spezifikation berücksichtigt wird,
- Bereichswechsel nachvollziehbar bleiben.
Auto-Ranging nimmt dem Bediener die manuelle Bereichsauswahl ab. Es nimmt ihm jedoch nicht die metrologische Verantwortung für die verwendeten Referenzbereiche ab.
Welcher Referenzbereich passt zum Prüfling?
Die Referenz sollte so gewählt werden, dass sie den benötigten Prüfdruck sicher erzeugen und messen kann und gleichzeitig eine ausreichend kleine Messunsicherheit besitzt.
Ein Prüfling mit einem Messbereich von 0 ... 1 bar sollte beispielsweise nicht automatisch mit dem größten im Labor verfügbaren Referenzbereich geprüft werden.
Sinnvoller ist ein Referenzbereich, der:
- den kompletten benötigten Prüfdruck abdeckt,
- ausreichende Überdruckreserve für den vorgesehenen Prüfablauf besitzt,
- eine geeignete Messunsicherheit bietet,
- zur gewünschten Druckart passt.
Der kleinste verfügbare Bereich ist allerdings ebenfalls nicht automatisch immer richtig. Er muss sämtliche vorgesehenen Prüfpunkte einschließlich eventuell benötigter Vorbelastungen sicher abdecken können.
Warum ist das Verhältnis zwischen Referenz und Prüfling wichtig?
Bei einer Kalibrierung soll die Referenz wesentlich genauer sein als der Prüfling. Wie groß dieses Verhältnis sein muss, hängt vom angewendeten Qualitäts- und Kalibrierverfahren ab.
Häufig wird dafür das Verhältnis zwischen Prüflingstoleranz und Messunsicherheit der Referenz beziehungsweise des gesamten Kalibrierprozesses betrachtet.
Ein großer Druckbereich der Referenz kann dieses Verhältnis insbesondere im unteren Bereich verschlechtern, wenn relevante Unsicherheitsanteile auf Full Scale bezogen sind.
Auto-Ranging kann deshalb dazu beitragen, über einen großen Gesamtdruckbereich eine günstigere Relation zwischen Prüfling und Referenz zu erhalten.
Messbereich und Regelbereich nicht verwechseln
Bei einem Druckcontroller übernimmt das aktive Modul nicht nur eine Messaufgabe, sondern ist Teil des gesamten pneumatischen Regelkreises.
Für die Geräteauswahl müssen deshalb mehrere Eigenschaften getrennt betrachtet werden:
- Messbereich,
- Regelbereich,
- Messunsicherheit beziehungsweise Genauigkeit,
- Regelstabilität,
- Regelgeschwindigkeit,
- zulässiger Versorgungsdruck.
Ein Modul, das einen Druck messtechnisch erfassen kann, muss nicht automatisch für jede gewünschte Regelaufgabe optimal sein.
Bei großen externen Volumina, sehr kleinen Prüfdrucken oder schnellen Prüfabläufen spielt deshalb auch die dynamische Regelperformance eine Rolle.
Warum muss nach einem Druckwechsel stabilisiert werden?
Ein automatischer Druckcontroller kann einen neuen Sollwert sehr schnell anfahren. Für die eigentliche Kalibrierablesung muss anschließend jedoch ein definierter stabiler Zustand erreicht werden.
Die benötigte Zeit hängt unter anderem ab von:
- Prüfvolumen,
- Schlauchvolumen,
- Prüfling,
- Druckhöhe,
- Regelparameter,
- thermischen Effekten.
Ein hoher Regelkomfort darf deshalb nicht dazu führen, dass ein Prüfpunkt unmittelbar nach Erreichen des Sollwertes dokumentiert wird, obwohl sich Druck oder Prüfling noch nicht ausreichend stabilisiert haben.
Bei automatisierten Kalibrierabläufen sollten geeignete Stabilitäts- beziehungsweise In-Limits-Kriterien verwendet werden.
Praxisbeispiel: 1-bar- und 70-bar-Modul in einem Controller
Ein Kalibrierlabor prüft unterschiedliche Drucktransmitter zwischen wenigen hundert Millibar und 70 bar.
Der PACE6000E wird beispielhaft mit zwei geeigneten Regelmodulen ausgestattet:
| Modul | Druckbereich | Typische Prüfaufgabe |
|---|---|---|
| Modul A | 0 ... 1 bar |
Niederdrucksensoren und kleine Prozessmessbereiche |
| Modul B | 0 ... 70 bar |
Industrielle Drucktransmitter mit höheren Bereichen |
Nun soll zunächst ein Sensor mit 0 ... 600 mbar geprüft werden.
Der 70-bar-Bereich könnte diesen Druck grundsätzlich erzeugen. Für die Referenzmessung ist jedoch der kleinere Bereich wesentlich besser an die Prüfaufgabe angepasst.
Anschließend wird ein 0 ... 40 bar-Transmitter geprüft. Dieser Bereich liegt außerhalb des kleineren Moduls, sodass der größere Referenzbereich benötigt wird.
Im Auto-Ranging-Betrieb stehen beide Bereiche ohne manuellen Modulwechsel zur Verfügung.
Der Vorteil liegt damit nicht darin, aus zwei Modulen einen einzigen neuen Sensor zu machen. Vielmehr stehen zwei kalibrierte Referenzbereiche zur Verfügung, zwischen denen das System passend zur jeweiligen Druckaufgabe wechseln kann.
Auto-Ranging im Messunsicherheitsbudget berücksichtigen
Bei einer rückführbaren Kalibrierung muss die Messunsicherheit für den tatsächlich verwendeten Messzustand bestimmt werden.
Dazu können unter anderem gehören:
- Unsicherheit der Referenzkalibrierung,
- Spezifikation des aktiven Druckmoduls,
- Langzeitstabilität,
- Auflösung,
- Wiederholbarkeit,
- Nullpunktverhalten,
- Temperaturbedingungen,
- Druckstabilität während der Ablesung.
Werden innerhalb einer Messreihe unterschiedliche Module verwendet, kann deshalb je nach Laborverfahren für verschiedene Prüfpunkte eine unterschiedliche Messunsicherheit gelten.
Es wäre falsch, einfach die beste Spezifikation des gesamten Controllers auf sämtliche Druckpunkte zu übertragen.
Welcher Bereich muss dokumentiert werden?
Für eine nachvollziehbare Kalibrierung sollte eindeutig sein, mit welcher Referenz beziehungsweise welchem aktiven Messbereich die einzelnen Prüfpunkte erzeugt und gemessen wurden.
Das ist insbesondere wichtig, wenn:
- mehrere Module unterschiedliche Spezifikationen besitzen,
- verschiedene Kalibrierdaten gelten,
- unterschiedliche Rekalibriertermine bestehen,
- ein Auto-Range-Wechsel innerhalb des Prüfbereiches erfolgt.
In automatisierten Prüfsystemen können diese Informationen idealerweise direkt zusammen mit den Messwerten protokolliert werden.
Auto-Ranging soll die Bedienung vereinfachen, darf aber die Rückverfolgbarkeit der eingesetzten Referenz nicht verschlechtern.
Systematische Modulauswahl
- Alle regelmäßig vorkommenden Prüflingsbereiche erfassen.
- Benötigte maximale und minimale Prüfdrucke bestimmen.
- Geforderte Prüflingstoleranzen beziehungsweise Zielmessunsicherheiten festlegen.
- Verfügbare CM- beziehungsweise CM3-Druckbereiche vergleichen.
- Genauigkeits- und Unsicherheitsspezifikationen über den tatsächlich genutzten Bereich berechnen.
- Bereiche so kombinieren, dass möglichst wenige ungünstige Randbereiche entstehen.
- Prüfen, welcher Bereich für welche Prüflingsgruppe vorgesehen ist.
- Auto-Ranging beziehungsweise Umschaltstrategie festlegen.
- Stabilitätskriterien für automatisierte Ablesungen definieren.
- Aktiven Referenzbereich im Kalibrierablauf dokumentieren.
- Kalibrierintervalle der einzelnen Module überwachen.
Häufige Fehler
- Nur den größten benötigten Druck betrachten: Ein großer Druckbereich kann bei kleinen Drücken eine unnötig ungünstige Messunsicherheit besitzen.
- Auflösung mit Genauigkeit verwechseln: Viele Displaystellen bedeuten nicht automatisch eine entsprechend kleine Messunsicherheit.
- % FS und % vom Messwert verwechseln: Beide Angaben haben bei kleinen Drücken sehr unterschiedliche Auswirkungen.
- Immer den größten installierten Bereich verwenden: Damit wird der messtechnische Vorteil eines kleineren Referenzbereiches verschenkt.
- Immer den kleinsten Bereich erzwingen: Der benötigte Prüfdruck muss einschließlich aller Prüfzustände sicher innerhalb des zulässigen Bereiches liegen.
- Auto-Ranging als eine einzige durchgehende Spezifikation betrachten: Die Eigenschaften der tatsächlich verwendeten Module bleiben maßgeblich.
- Bereichswechsel nicht dokumentieren: Dadurch kann die Rückverfolgbarkeit des Unsicherheitsbudgets verloren gehen.
- Nur die kurzfristige Genauigkeit betrachten: Langzeitstabilität und Kalibrierunsicherheit gehören ebenfalls zur Bewertung.
- Prüfpunkt sofort nach der Regelung ablesen: Ein erreichter Sollwert ist nicht automatisch bereits ein ausreichend stabiler Kalibrierpunkt.
- Controller-Grundgerät mit Messgenauigkeit gleichsetzen: Die erreichbare Messperformance wird wesentlich durch das eingesetzte Regelmodul bestimmt.
PACE6000E mit CM- und CM3-Regelmodulen
Ein konkreter modularer Hochpräzisions-Druckcontroller für diese Anwendung ist der Druck PACE6000E.
Das Zweikanalgehäuse kann mit bis zu zwei PACE CM- beziehungsweise CM3-Regelmodulen bestückt werden. Die Module enthalten die für Druckmessung und Druckregelung relevanten Komponenten und können für unterschiedliche Druckbereiche ausgewählt werden.
Der PACE6000E kann mit zwei Modulen unter anderem in drei grundsätzlichen Betriebsarten verwendet werden:
- Single: Nutzung eines einzelnen Druckkanals beziehungsweise Bereiches,
- Auto-Ranging: automatische Nutzung geeigneter Bereiche über einen erweiterten Druckbereich,
- Dual Channel: zwei unabhängige Druckaufgaben gleichzeitig.
Für besonders anspruchsvolle Kalibrieranwendungen stehen optionale CM3-Regelmodule mit TERPS-Sensortechnologie zur Verfügung. Je nach gewähltem Modul unterscheiden sich Druckbereich und messtechnische Spezifikation.
Wichtig ist deshalb auch beim PACE6000E: Die Messgenauigkeit wird nicht allein vom Grundgerät bestimmt, sondern wesentlich vom installierten Control Module.
Passende Informationen finden Sie beim Druck PACE6000E Hochpräzisions-Druckcontroller sowie unter Kalibriertechnik bei ICS Schneider.
Fazit
Ein großer Druckmessbereich ist nicht automatisch über den gesamten Bereich die beste Referenz für eine hochwertige Druckkalibrierung.
Insbesondere wenn Teile der Messunsicherheit auf den Messbereichsendwert bezogen sind, können kleinere Referenzbereiche bei niedrigen Drücken einen deutlichen messtechnischen Vorteil bieten.
Ein modularer Druckcontroller ermöglicht deshalb die Kombination unterschiedlicher Bereiche in einem einzigen System. Beim Auto-Ranging kann abhängig vom benötigten Prüfdruck ein geeigneter verfügbarer Bereich verwendet werden.
Dadurch reduziert sich nicht nur der manuelle Umrüstaufwand. Unterschiedliche Prüflinge können mit Referenzbereichen geprüft werden, die besser zu ihrer jeweiligen Druckspanne passen.
Auto-Ranging ersetzt jedoch keine Unsicherheitsbetrachtung. Für jeden Prüfpunkt bleibt die Spezifikation des tatsächlich verwendeten Messmoduls maßgeblich. Bereichswechsel, Kalibrierdaten, Langzeitstabilität und die übrigen Beiträge des Messunsicherheitsbudgets müssen weiterhin berücksichtigt werden.
Für eine optimale Auslegung gilt deshalb: nicht einfach den größtmöglichen Druckbereich wählen, sondern die regelmäßig benötigten Prüfdrucke analysieren, passende Module kombinieren und Auto-Ranging gezielt nutzen, um über den gesamten Arbeitsbereich eine möglichst günstige Messunsicherheit zu erreichen.
FAQ: Auto-Ranging bei modularen Druckcontrollern
Was bedeutet Auto-Ranging bei einem Druckcontroller?
Auto-Ranging bedeutet, dass mehrere verfügbare Druckbereiche innerhalb eines Systems genutzt werden können und abhängig von der aktuellen Druckaufgabe ein geeigneter Bereich ausgewählt wird.
Warum kann ein kleinerer Messbereich genauer sein?
Wenn relevante Fehleranteile auf den Messbereichsendwert bezogen sind, ist ihr absoluter Druckwert bei einem kleineren Full-Scale-Bereich entsprechend kleiner.
Was bedeutet % FS?
FS steht für Full Scale. Eine Angabe in Prozent FS bezieht sich auf den Endwert des jeweiligen Messbereiches und nicht auf den momentan gemessenen Druck.
Was ist der Unterschied zwischen % FS und % vom Messwert?
Ein Prozent-vom-Messwert-Anteil verändert sich mit dem aktuellen Druck. Ein Full-Scale-Anteil wird dagegen vom Endwert des verwendeten Messbereiches berechnet.
Ist Auto-Ranging nur eine Komfortfunktion?
Nein. Neben dem Wegfall manueller Bereichswechsel kann Auto-Ranging auch einen messtechnischen Vorteil bieten, weil bei niedrigen Drücken ein geeigneter kleinerer Referenzbereich verwendet werden kann.
Kann ein 70-bar-Modul auch bei 1 bar messen?
Grundsätzlich kann ein großer Messbereich kleinere Drücke erfassen, sofern diese innerhalb des spezifizierten Bereiches liegen. Für eine Kalibrierung muss jedoch geprüft werden, ob die resultierende Messunsicherheit für den Prüfling ausreichend ist.
Ist immer der kleinste verfügbare Bereich der beste?
Nein. Der Referenzbereich muss sämtliche benötigten Prüfpunkte und Prüfzustände sicher abdecken. Entscheidend ist die Kombination aus ausreichendem Bereich und geeigneter Messunsicherheit.
Muss ein Bereichswechsel bei Auto-Ranging dokumentiert werden?
Für rückführbare und messtechnisch nachvollziehbare Kalibrierungen sollte eindeutig bekannt sein, welcher Referenzbereich beziehungsweise welches Modul für die jeweiligen Prüfpunkte verwendet wurde.
Besitzt der gesamte Auto-Range-Bereich eine einzige Messunsicherheit?
Nicht zwangsläufig. Wenn unterschiedliche Module verwendet werden, können deren Spezifikationen und Kalibrierunsicherheiten unterschiedlich sein. Für den jeweiligen Prüfpunkt ist der tatsächlich verwendete Referenzbereich zu berücksichtigen.
Wie viele Regelmodule kann der PACE6000E aufnehmen?
Der PACE6000E ist als Zweikanal-System ausgelegt und kann mit bis zu zwei Control Modules bestückt werden.
Was ist der Unterschied zwischen Auto-Ranging und Dual Channel?
Beim Auto-Ranging werden unterschiedliche verfügbare Bereiche für eine Druckaufgabe genutzt. Im Dual-Channel-Betrieb können dagegen zwei unabhängige Druckaufgaben beziehungsweise Regelkanäle gleichzeitig betrieben werden.
Was sind CM3-Module?
CM3 sind optionale hochpräzise Control Modules für die PACE-Systeme. Sie verwenden Drucks TERPS-Sensortechnologie und sind für besonders anspruchsvolle Kalibrier- und Referenzmessungen vorgesehen.
Wird die Genauigkeit durch den PACE6000E oder durch das Modul bestimmt?
Die messtechnische Performance wird wesentlich durch das installierte Control Module bestimmt. Ein identisches Modul bietet daher grundsätzlich dieselbe modulspezifische Messperformance unabhängig davon, ob es in einem dafür kompatiblen PACE5000E oder PACE6000E betrieben wird.