Kolbenmanometer und lokale Gravitation: Referenzdruck richtig korrigieren

→ Produktkategorie: Druckkalibriertechnik

 

Ein Kolbenmanometer wird mit einem Massensatz betrieben, der für die Norm-Fallbeschleunigung von:

gn = 9,80665 m/s²

ausgelegt ist.

Am neuen Einsatzort beträgt die lokale Erdbeschleunigung jedoch beispielsweise:

glokal = 9,811053 m/s²

Wird ein nomineller Prüfpunkt von 100 bar eingestellt, erzeugt die gleiche Masse dort nicht exakt 100 bar, sondern aufgrund der höheren Gewichtskraft einen etwas größeren Druck.

Für einfache Druckmessgeräte wäre diese Abweichung möglicherweise kaum relevant. Bei einem Kolbenmanometer als hochgenauer Druckreferenz kann sie jedoch bereits größer sein als andere Bestandteile des gesamten Unsicherheitsbudgets.

Die Ursache liegt im Grundprinzip der Druckwaage: Der Referenzdruck wird aus einer Kraft und der wirksamen Kolbenfläche abgeleitet. Da die Kraft der aufgelegten Massen direkt von der lokalen Erdbeschleunigung abhängt, wirkt sich eine Änderung von g praktisch proportional auf den erzeugten Druck aus.

Für entsprechende Kalibrieraufgaben bietet ICS Schneider unter anderem die WIKA CPB3800 Druckwaage an. Ihre Massensätze werden standardmäßig für die Norm-Fallbeschleunigung von 9,80665 m/s² gefertigt, können aber auch auf die lokale Fallbeschleunigung des vorgesehenen Einsatzortes angepasst werden. Für die rechnerische Berücksichtigung von Einflussgrößen stehen außerdem die WIKA CPU6000 CalibratorUnits und die Kalibriersoftware WIKA-Cal zur Verfügung.

Wie ein Kolbenmanometer den Referenzdruck erzeugt

Ein Kolbenmanometer – auch Druckwaage oder Deadweight Tester genannt – erzeugt Druck nach einem direkt physikalisch ableitbaren Prinzip.

Vereinfacht gilt:

p = F / A

Dabei ist:

• p = erzeugter Druck,
• F = auf den Kolben wirkende Kraft,
• A = wirksame Kolbenfläche.

Die Kraft entsteht hauptsächlich durch die Gewichtskraft der aufgelegten Massen.

Für eine Masse gilt:

F = m · g

Damit ergibt sich vereinfacht:

p = m · g / A

Die Erdbeschleunigung steht damit direkt in der Druckgleichung

Wird:

• dieselbe Masse,
• auf dasselbe Kolben-Zylinder-System

aufgelegt, aber die lokale Erdbeschleunigung verändert sich, verändert sich auch die auf den Kolben wirkende Gewichtskraft.

Der tatsächlich erzeugte Referenzdruck ändert sich entsprechend.

Warum die lokale Erdbeschleunigung den Druck beeinflusst

Eine Masse von beispielsweise:

10 kg

bleibt unabhängig vom Standort eine Masse von 10 kg.

Ihre Gewichtskraft ist jedoch:

F = m · g

und hängt deshalb von der lokalen Erdbeschleunigung ab.

Bei größerem g

wird dieselbe Masse stärker zum Erdmittelpunkt beschleunigt.

Die Gewichtskraft steigt.

Damit steigt bei unveränderter Kolbenfläche auch der erzeugte Druck.

Bei kleinerem g

ist die Gewichtskraft entsprechend kleiner.

Der gleiche Massensatz erzeugt einen etwas geringeren Druck.

Ein Massensatz besitzt deshalb nur in Verbindung mit dem zugrunde gelegten Gravitationswert eine eindeutig definierte Druckwirkung.

Was bedeutet Norm-Fallbeschleunigung 9,80665 m/s²?

Für technische Berechnungen wurde eine internationale Norm-Fallbeschleunigung definiert:

gn = 9,80665 m/s²

Dieser Wert ist eine festgelegte Referenzgröße.

Er bedeutet nicht, dass an jedem Ort der Erde tatsächlich exakt:

9,80665 m/s²

gemessen werden.

Standard-Massensätze von Druckwaagen werden häufig auf diesen Wert bezogen

Auch beim WIKA CPB3800 werden die Massen standardmäßig für:

9,80665 m/s²

gefertigt.

Wird die Druckwaage an einem Ort mit einer davon abweichenden lokalen Gravitation verwendet, muss diese Abweichung entweder:

• bereits bei der Fertigung beziehungsweise Justierung des Massensatzes berücksichtigt

oder:

• rechnerisch korrigiert

werden.

Gravitationskorrektur berechnen

Für einen auf einen bestimmten Referenz-Gravitationswert bezogenen Massensatz kann die reine Gravitationskorrektur vereinfacht über das Verhältnis der Beschleunigungen erfolgen.

Es gilt:

plokal = pnominal · glokal / gref

Dabei ist:

• plokal = tatsächlich aufgrund der lokalen Gravitation erzeugter Druck,
• pnominal = nomineller Druckwert des Massensatzes,
• glokal = lokale Erdbeschleunigung am Einsatzort,
• gref = Gravitationswert, auf den der Massensatz bezogen ist.

Ist der Massensatz auf die Norm-Fallbeschleunigung bezogen, gilt:

gref = 9,80665 m/s²

Der reine Gravitations-Korrekturfaktor lautet damit

kg = glokal / gref

und:

plokal = pnominal · kg

Diese Beziehung betrachtet zunächst nur den Einfluss der Gravitation. Für eine hochgenaue Druckwaagenberechnung kommen weitere Korrekturgrößen hinzu.

Rechenbeispiel für 100 bar

Ein Massensatz wurde für die Norm-Fallbeschleunigung hergestellt:

gref = 9,806650 m/s²

Am tatsächlichen Einsatzort beträgt die lokale Erdbeschleunigung:

glokal = 9,811053 m/s²

Aufgelegt werden Massen für einen nominellen Druck von:

pnominal = 100 bar

Der tatsächliche Druck ergibt sich zu

plokal = 100 bar · 9,811053 / 9,806650

und damit ungefähr:

plokal = 100,0449 bar

Die Abweichung beträgt damit

+0,0449 bar

beziehungsweise:

+0,0449 %

Bei einem normalen Betriebsmanometer wäre diese Differenz häufig unbedeutend.

Bei einer Druckwaage mit einer Messunsicherheit im Bereich weniger Hundertstel Prozent ist sie dagegen erheblich.

Ohne Gravitationskorrektur könnte die lokale Schwerkraft in diesem Beispiel einen systematischen Fehler erzeugen, der in derselben Größenordnung oder sogar oberhalb der angegebenen Messunsicherheit der Referenz liegt.

Warum sich g mit dem Standort verändert

Die lokale Erdbeschleunigung ist nicht überall identisch.

Zu den wichtigsten Einflussgrößen gehören:

• geografische Breite,
• Höhe über dem Referenzniveau,
• Form und Rotation der Erde,
• lokale Massenverteilung im Untergrund.

Der Breitengrad spielt eine wichtige Rolle

Durch Erdrotation und Erdgestalt unterscheidet sich die lokale Gravitation zwischen äquatornahen und polnahen Regionen.

Ein Kolbenmanometer, das beispielsweise von Mitteleuropa an einen weit entfernten Standort gebracht wird, sollte deshalb nicht automatisch mit dem bisherigen Gravitationswert weiterverwendet werden.

Auch innerhalb eines Landes kann die Abweichung bereits relevant werden

Wie stark sie sich auf die Kalibrierung auswirkt, hängt von der geforderten Messunsicherheit ab.

Je genauer die Druckreferenz sein soll, desto wichtiger wird ein belastbarer lokaler g-Wert.

Einfluss der Höhenlage

Mit zunehmendem Abstand vom Erdmittelpunkt nimmt die lokale Erdbeschleunigung grundsätzlich ab.

Damit kann auch die Höhenlage des Kalibrierlabors beziehungsweise Einsatzortes relevant sein.

Für eine grobe technische Anwendung

kann die lokale Gravitation aus:

• geografischer Position,
• Höhenlage

näherungsweise bestimmt werden.

Bei sehr kleinen Messunsicherheiten

sollte dagegen ein für den tatsächlichen Einsatzort ausreichend genauer beziehungsweise rückführbar bestimmter Gravitationswert verwendet werden.

Wichtig ist dabei nicht nur die nominelle Zahl, sondern auch die Unsicherheit, mit der dieser Wert bekannt ist.

Auf lokale Gravitation angepasste Massensätze

Wenn ein Kolbenmanometer dauerhaft an einem festen Standort betrieben wird, kann der Massensatz bereits auf die lokale Gravitation abgestimmt werden.

Beim WIKA CPB3800 ist eine entsprechende Anpassung möglich.

Der Vorteil

Die nominalen Druckwerte der Massen entsprechen dann bereits dem für diesen Standort vorgesehenen Einsatz.

Der Anwender kann beispielsweise einen Massensatz für:

100 bar

auflegen und muss die reine Gravitationsabweichung nicht bei jedem Prüfpunkt manuell nachrechnen.

Der Nachteil

Der Massensatz ist damit auf einen bestimmten Gravitationswert abgestimmt.

Wird die Druckwaage später an einen anderen Standort verlagert, muss erneut geprüft werden, welcher:

g-Wert

für die dortige Verwendung gilt.

Die Beschriftung der Massen darf nicht ohne Prüfung als standortunabhängiger Druckwert interpretiert werden.

Kolbenmanometer an wechselnden Standorten verwenden

Gerade für Serviceunternehmen oder Vor-Ort-Kalibrierungen kann eine Druckwaage an verschiedenen Standorten eingesetzt werden.

In diesem Fall ist ein auf Standardgravitation bezogener Massensatz praktisch

Der Massensatz bleibt eindeutig definiert und der tatsächlich erzeugte Referenzdruck wird für den jeweiligen Einsatzort berechnet.

Vor der Kalibrierung werden beispielsweise hinterlegt:

• lokale Gravitation,
• Umgebungstemperatur,
• atmosphärischer Druck,
• relative Luftfeuchte,
• Kolben- beziehungsweise Systemtemperatur.

Software kann diese Berechnung erheblich vereinfachen

Die WIKA-Cal Kalibriersoftware kann für Kolbenmanometer die erforderlichen Massenauflagen beziehungsweise den daraus resultierenden Referenzdruck bestimmen.

In Verbindung mit der CPU6000-Serie können relevante Umgebungs- und Kalibrierparameter in die Berechnung einbezogen werden.

Für wechselnde Einsatzorte ist dies wesentlich sicherer als eine manuell gepflegte Tabelle ohne dokumentierten Gravitationsbezug.

Welcher Gravitationswert aus dem Kalibrierzertifikat zählt?

Vor der Verwendung einer Druckwaage sollte geklärt werden, auf welchen Gravitationswert sich:

• Massensatz,
• Kalibrierzertifikat,
• Drucktabellen,
• Softwarekonfiguration

beziehen.

Mögliche Fälle sind

Ausführung	Bedeutung
Massensatz auf 9,80665 m/s² bezogen	Lokale Gravitation muss bei abweichendem Einsatzort rechnerisch berücksichtigt werden.
Massensatz auf lokale Gravitation angepasst	Nominale Druckwerte gelten für den dafür definierten Gravitationswert.
Individuelle Massenwerte im Zertifikat	Berechnung erfolgt mit den zertifizierten Massen und den relevanten Korrekturgrößen.
Softwaregestützte Berechnung	Gravitationswert muss korrekt im Datensatz beziehungsweise Auftrag hinterlegt sein.

Entscheidend ist deshalb nicht nur, einen lokalen g-Wert zu kennen. Er muss auch korrekt zum Gravitationsbezug des verwendeten Massensatzes passen.

Effektive Kolbenfläche ebenfalls berücksichtigen

Die Gleichung:

p = m · g / A

zeigt bereits, dass die Gravitation nur eine Seite der Druckbestimmung darstellt.

Ebenso wichtig ist:

A = effektive Kolbenfläche

Die wirksame Fläche ist keine beliebig angenommene geometrische Fläche

Sie wird für das konkrete Kolben-Zylinder-System bestimmt und ist ein zentraler Kalibrierparameter der Druckwaage.

Bei hochgenauen Systemen kann sie zusätzlich von:

• Temperatur,
• Druck,
• Verformung des Kolben-Zylinder-Systems

abhängen.

Deshalb gilt

Eine perfekte Gravitationskorrektur kann keine falsche effektive Kolbenfläche kompensieren.

Für die Referenzdruckberechnung müssen immer die aktuellen Daten des verwendeten Kolben-Zylinder-Systems beziehungsweise des Kalibrierzertifikats verwendet werden.

Weitere Korrekturen neben der Gravitation

Die lokale Erdbeschleunigung ist wichtig, aber nicht die einzige Einflussgröße einer hochgenauen Druckwaage.

Je nach Gerät und Genauigkeitsanforderung können zusätzlich relevant sein

• tatsächliche Masse der Gewichte,
• Luftauftrieb der Massen,
• Luftdichte,
• effektive Kolbenfläche,
• Kolbentemperatur,
• thermische Ausdehnung von Kolben und Zylinder,
• Druckverformung des Kolben-Zylinder-Systems,
• Oberflächenspannung des Druckmediums,
• Druckhöhendifferenz zwischen Referenz und Prüfling.

Die einfache Gleichung bleibt trotzdem wichtig

p = F / A

Sie macht verständlich, woher die einzelnen Korrekturen kommen.

Für eine hochgenaue Kalibrierung wird aus der einfachen Beziehung jedoch eine Auswertung mit den für das konkrete Kolbenmanometer spezifizierten Korrekturgrößen.

Lokale Gravitation nicht mit Druckhöhenkorrektur verwechseln

Zwei Effekte werden bei Druckwaagen häufig miteinander vermischt:

Höhe des geografischen Einsatzortes

und:

Höhenunterschied zwischen Kolben und Prüfling

Die geografische Höhe

beeinflusst unter anderem die lokale Erdbeschleunigung.

Der Höhenunterschied innerhalb des Kalibrieraufbaus

erzeugt dagegen eine hydrostatische Druckdifferenz.

Für eine Flüssigkeit gilt vereinfacht:

Δp = ρ · g · Δh

Dabei ist:

• ρ = Dichte des Druckmediums,
• g = lokale Erdbeschleunigung,
• Δh = Höhendifferenz der Bezugsniveaus.

Diese Druckhöhenkorrektur ist besonders bei hydraulischen Druckwaagen relevant.

Eine korrekt eingestellte lokale Gravitation ersetzt daher nicht die Korrektur eines Höhenunterschieds zwischen Kolbenreferenzniveau und Druckanschluss des Prüflings.

Gravitation im Messunsicherheitsbudget

Wird die lokale Gravitation korrekt berücksichtigt, verschwindet ihr Einfluss nicht vollständig aus dem Unsicherheitsbudget.

Der verwendete g-Wert besitzt selbst eine Unsicherheit.

Vereinfacht gilt

weil:

p ∝ g

ist auch die relative Empfindlichkeit:

Δp / p ≈ Δg / g

Damit überträgt sich die relative Unsicherheit des Gravitationswertes direkt auf den entsprechenden Druckanteil

Bei einer grob geschätzten lokalen Gravitation kann dieser Beitrag größer sein als bei einem ausreichend genau bestimmten Standortwert.

Für ein belastbares Unsicherheitsbudget sollte deshalb dokumentiert werden:

• Quelle des lokalen Gravitationswertes,
• zugehöriger Standort,
• gegebenenfalls Höhenbezug,
• Unsicherheit des Wertes,
• Gravitationsbezug des Massensatzes.

Wichtig

Eine vollständig vergessene Gravitationskorrektur ist zunächst kein zufälliger Unsicherheitsbeitrag.

Sie verursacht einen systematischen Fehler des Referenzdrucks.

Erst nach korrekter Korrektur bleibt die Unsicherheit des verwendeten g-Wertes als Bestandteil des Messunsicherheitsbudgets bestehen.

Typische Fehler bei der Gravitationskorrektur

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Druckwaage zeigt nach Standortwechsel systematisch andere Ergebnisse	bisheriger Gravitationswert weiterverwendet	g-Wert des neuen Einsatzortes prüfen
Nominal 100 bar werden ungeprüft als exakt 100 bar angenommen	Gravitationsbezug des Massensatzes nicht berücksichtigt	Zertifikat und Massensatzdaten prüfen
Gravitation wird doppelt korrigiert	Massensatz bereits auf lokale Gravitation angepasst	Herstell- und Kalibrierdaten kontrollieren
Softwarewert stimmt nicht mit manueller Berechnung überein	falscher Referenz-g-Wert hinterlegt	Softwarekonfiguration kontrollieren
Nur geografischer Standort wird dokumentiert	keine belastbare g-Angabe vorhanden	Quelle und Unsicherheit des Gravitationswertes dokumentieren
Nach Umzug in ein anderes Stockwerk wird nur g korrigiert	Druckhöhendifferenz im Prüfaufbau übersehen	Bezugsniveau von Referenz und Prüfling prüfen
Temperaturabweichung wird der Gravitation zugeschrieben	effektive Kolbenfläche verändert sich mit Temperatur	Kolbentemperatur und Flächenkorrektur prüfen
Massensatz eines anderen Kolbenmanometers wird verwendet	Massen und Kolbenfläche gehören nicht zum gleichen Datensatz	Seriennummern und Zertifikate zuordnen
Berechnete Korrektur wird auf falsches Vorzeichen angewandt	Verhältnis glokal/gref verwechselt	Grundgleichung p = m·g/A verwenden
Sehr kleine Gesamtunsicherheit trotz geschätztem g-Wert	Unsicherheit der Gravitation nicht berücksichtigt	Unsicherheitsbudget ergänzen

Praxisbeispiel: Druckwaage wird an einen anderen Standort verlagert

Ein Kalibrierlabor betreibt eine hydraulische Druckwaage mit einem auf Standardgravitation bezogenen Massensatz.

Der Datensatz enthält:

gref = 9,80665 m/s²

Das Gerät wird für eine Vor-Ort-Kalibrierung an einen anderen geografischen Standort gebracht.

Falsche Vorgehensweise

Der Bediener verwendet weiterhin ausschließlich die auf den Gewichtsscheiben angegebenen nominalen Druckwerte.

Beispielsweise:

500 bar Masse aufgelegt → Referenzdruck = exakt 500 bar

Damit wird implizit angenommen:

glokal = gref

obwohl dies am neuen Standort nicht zutrifft.

Richtige Vorgehensweise

Vor Beginn der Kalibrierung wird:

1. der Gravitationsbezug des Massensatzes aus den Unterlagen bestimmt,
2. die lokale Gravitation für den neuen Einsatzort ermittelt,
3. der Wert in die Auswertung beziehungsweise Software übernommen,
4. der Referenzdruck für die jeweilige Massenkombination berechnet,
5. die weiteren Einflussgrößen der Druckwaage berücksichtigt.

Nach der Kalibrierung

sollte im Messprotokoll nachvollziehbar sein, welcher:

g-Wert

für die Referenzdruckberechnung verwendet wurde.

Damit bleibt die Kalibrierung auch später technisch nachvollziehbar.

Kalibrierung systematisch vorbereiten

1. Kolbenmanometer identifizieren: Typ, Seriennummer und Kolben-Zylinder-System eindeutig zuordnen.
2. Massensatz prüfen: Sicherstellen, dass die verwendeten Massen zum Kalibriersystem gehören.
3. Gravitationsbezug feststellen: Standardgravitation oder lokaler Anpassungswert aus Zertifikat beziehungsweise Herstellerdaten übernehmen.
4. Einsatzort bestimmen: Standort und erforderlichen lokalen g-Wert festlegen.
5. Lokalen g-Wert dokumentieren: Quelle und gegebenenfalls Unsicherheit festhalten.
6. Doppelte Korrektur vermeiden: Prüfen, ob der Massensatz bereits auf den Standort angepasst wurde.
7. Umgebungsbedingungen erfassen: Temperatur, Luftdruck und bei Bedarf Luftfeuchte dokumentieren.
8. Kolbentemperatur berücksichtigen: Für die effektive Flächenkorrektur ausreichend stabilisieren lassen.
9. Referenzniveau festlegen: Höhenunterschied zwischen Kolben und Prüfling bestimmen.
10. Druckmedium prüfen: Dichte und bei Flüssigkeiten mögliche hydrostatische Korrektur berücksichtigen.
11. Massentabelle beziehungsweise Software konfigurieren: Richtige Kolben-, Massen- und Standortdaten verwenden.
12. Gravitationskorrektur anwenden: Referenzdruck beziehungsweise erforderliche Massen korrekt berechnen.
13. Kolben in stabilen Schwebezustand bringen: Reibung und Betriebszustand entsprechend der Herstelleranleitung kontrollieren.
14. Prüfpunkt stabilisieren: Erst bei stabilem Referenzdruck ablesen.
15. Messwerte dokumentieren: Referenzdruck und Prüflingswert vollständig erfassen.
16. Unsicherheitsbudget prüfen: Unsicherheit des Gravitationswertes und weitere Einflussgrößen berücksichtigen.

Passende Kalibriertechnik bei ICS Schneider

WIKA CPB3800 Druckwaage

Die WIKA CPB3800 eignet sich besonders gut für dieses Thema.

Sie arbeitet als hydraulisches Primärnormal und ist für Kalibrieraufgaben bis:

1.200 bar

ausgelegt.

ICS nennt unter anderem:

• Gesamt-Messunsicherheit bis 0,025 % vom Messwert,
• Erweiterungsmöglichkeit auf höhere Genauigkeit in Verbindung mit entsprechenden Kolben-Zylinder-Systemen,
• Werkskalibrierung rückführbar auf nationale Normale,
• Massensätze aus CrNi-Stahl,
• Anpassung der Massen auf die lokale Fallbeschleunigung.

Gerade der letzte Punkt ist für diesen Fachbeitrag entscheidend

Standardmäßig werden die Massen auf:

9,80665 m/s²

bezogen.

Für einen festen Einsatzort können sie dagegen auf dessen lokale Gravitation abgestimmt werden.

WIKA CPU6000 CalibratorUnit

Die CPU6000-Serie unterstützt die Erfassung und Korrektur relevanter Einflussgrößen bei der Arbeit mit Kolbenmanometern.

Die Serie umfasst:

• CPU6000-W Wetterstation,
• CPU6000-S Sensorbox für Kolbenmanometer,
• CPU6000-M Digitalmultimeter.

In Verbindung mit einem Kolbenmanometer können damit die erforderlichen Massen beziehungsweise der tatsächliche Referenzdruck bestimmt werden.

WIKA-Cal Kalibriersoftware

Die WIKA-Cal unterstützt unter anderem:

• Bestimmung erforderlicher Massenauflagen für Kolbenmanometer,
• Berechnung des Referenzdrucks,
• Aufzeichnung kalibrierrelevanter Daten,
• Erstellung von Kalibrierzeugnissen.

Gerade bei wechselnden Einsatzorten reduziert eine softwaregestützte Berechnung das Risiko, einen falschen Gravitationsbezug oder eine andere Korrekturgröße zu übersehen.

Weitere Geräte finden Sie unter Kolbenmanometer und Druckwaagen bei ICS Schneider sowie unter Kalibriertechnik.

Fazit

Bei einem Kolbenmanometer ist die lokale Erdbeschleunigung keine theoretische Nebengröße, sondern ein direkter Bestandteil der Druckerzeugung.

Das Grundprinzip lautet

p = F / A

und:

F = m · g

Damit gilt vereinfacht:

p = m · g / A

Die gleiche Masse erzeugt deshalb nicht überall exakt den gleichen Druck

Ändert sich die lokale Gravitation, verändert sich die Gewichtskraft und damit der Referenzdruck.

9,80665 m/s² ist eine Normgröße

Sie darf nicht automatisch mit der tatsächlichen Erdbeschleunigung am Einsatzort gleichgesetzt werden.

Bei einem auf Standardgravitation bezogenen Massensatz

kann die reine Gravitationskorrektur vereinfacht über:

plokal = pnominal · glokal / gref

erfolgen.

Für feste Laborstandorte können Massensätze direkt angepasst werden

Dies vereinfacht die tägliche Arbeit, bindet die nominale Druckzuordnung jedoch an den zugrunde gelegten lokalen Gravitationswert.

Für mobile Druckwaagen ist eine rechnerische Korrektur sinnvoll

Bei jedem Standortwechsel wird der lokale g-Wert neu berücksichtigt.

Die Gravitation ist nur eine von mehreren Korrekturgrößen

Effektive Kolbenfläche, Temperatur, Luftauftrieb, Druckverformung und Druckhöhendifferenz können je nach Genauigkeitsklasse ebenfalls relevant sein.

Für die Praxis gilt

Massensatz und Kolben-Zylinder-System eindeutig zuordnen → Gravitationsbezug aus Zertifikat prüfen → lokalen g-Wert für den Einsatzort bestimmen → doppelte Korrekturen vermeiden → Referenzdruck beziehungsweise Massenauflage mit dem richtigen g-Wert berechnen → Kolbenfläche und Umgebungsbedingungen berücksichtigen → Druckhöhendifferenz separat korrigieren → Unsicherheit des Gravitationswertes in das Messunsicherheitsbudget aufnehmen → verwendete Werte im Kalibrierprotokoll dokumentieren.

FAQ: Lokale Gravitation bei Kolbenmanometern richtig berücksichtigen

Warum beeinflusst die Gravitation ein Kolbenmanometer?

Der Druck entsteht aus der Gewichtskraft aufgelegter Massen und der wirksamen Kolbenfläche. Da die Gewichtskraft F = m · g beträgt, wirkt sich die lokale Erdbeschleunigung direkt auf den erzeugten Druck aus.

Was ist die Norm-Fallbeschleunigung?

Die international definierte Norm-Fallbeschleunigung beträgt exakt 9,80665 m/s² und dient als Referenzwert.

Ist die Erdbeschleunigung überall 9,80665 m/s²?

Nein. Die tatsächliche lokale Gravitation hängt unter anderem von geografischer Breite, Höhenlage und lokalen geologischen Einflüssen ab.

Wie korrigiere ich einen auf Standardgravitation bezogenen Massensatz?

Für den reinen Gravitationseinfluss kann der nominale Druck mit dem Verhältnis g_lokal/g_ref korrigiert werden.

Wie lautet die einfache Formel?

plokal = pnominal · glokal / gref

Was passiert, wenn die lokale Gravitation größer als der Referenzwert ist?

Die Gewichtskraft der Massen ist größer und das Kolbenmanometer erzeugt bei sonst gleichen Bedingungen einen höheren Druck.

Was passiert bei kleinerer lokaler Gravitation?

Die Gewichtskraft ist kleiner und der tatsächlich erzeugte Druck liegt entsprechend unter dem nominalen Referenzwert.

Kann der Gravitationseinfluss wirklich relevant sein?

Ja. Bei hochgenauen Druckwaagen kann die Abweichung durch einen nicht berücksichtigten lokalen Gravitationswert größer sein als andere Bestandteile der Messunsicherheit.

Was bedeutet ein auf lokale Gravitation angepasster Massensatz?

Die Massen wurden so abgestimmt, dass ihre nominalen Druckwerte bei dem festgelegten lokalen Gravitationswert dem vorgesehenen Referenzdruck entsprechen.

Muss ich einen solchen Massensatz zusätzlich korrigieren?

Nicht noch einmal für denselben bereits berücksichtigten g-Wert. Andernfalls würde die Gravitationskorrektur doppelt angewendet.

Was passiert, wenn die Druckwaage später an einen anderen Standort kommt?

Dann muss geprüft werden, ob der bisherige Gravitationsbezug noch geeignet ist. Gegebenenfalls muss der Referenzdruck neu berechnet werden.

Wo finde ich den Referenzwert des Massensatzes?

Er sollte aus Herstellerunterlagen, Massentabelle oder Kalibrierzertifikat eindeutig hervorgehen.

Kann ich die lokale Gravitation nur aus GPS-Koordinaten bestimmen?

Für weniger anspruchsvolle Anwendungen kann eine Berechnung aus geografischer Position und Höhenlage ausreichend sein. Bei sehr niedrigen Messunsicherheiten sollte ein entsprechend genauer und dokumentierter Gravitationswert verwendet werden.

Spielt die Höhe über dem Meeresspiegel eine Rolle?

Ja. Mit zunehmender Entfernung vom Erdmittelpunkt verändert sich die lokale Erdbeschleunigung. Die Höhenlage ist daher Bestandteil vieler Berechnungsmodelle für lokale Gravitation.

Ist die Gravitätskorrektur dasselbe wie die Druckhöhenkorrektur?

Nein. Die Gravitätskorrektur berücksichtigt die lokale Gewichtskraft der Massen. Die Druckhöhenkorrektur berücksichtigt die hydrostatische Druckdifferenz zwischen unterschiedlichen Referenzhöhen im Kalibrieraufbau.

Wie berechnet sich die Druckhöhendifferenz?

Vereinfacht gilt Δp = ρ · g · Δh. Besonders bei hydraulischen Druckwaagen kann dieser Effekt relevant sein.

Was ist die effektive Kolbenfläche?

Sie ist die für die Druckerzeugung wirksame Fläche des konkreten Kolben-Zylinder-Systems und wird im Rahmen der Kalibrierung beziehungsweise Charakterisierung bestimmt.

Ist die effektive Kolbenfläche konstant?

Bei hochgenauen Anwendungen müssen abhängig vom System unter anderem Temperatur und Druckeinfluss auf die wirksame Fläche berücksichtigt werden.

Welche weiteren Einflüsse gibt es bei einer Druckwaage?

Dazu gehören unter anderem Massenwerte, Luftauftrieb, Kolbentemperatur, effektive Fläche, Druckverformung, Oberflächenspannung und hydrostatische Höhendifferenzen.

Was passiert, wenn die Gravitätskorrektur vergessen wird?

Es entsteht ein systematischer Fehler des erzeugten Referenzdrucks.

Gehört die lokale Gravitation in das Messunsicherheitsbudget?

Ja. Nach Anwendung der Korrektur bleibt die Unsicherheit des verwendeten lokalen Gravitationswertes als möglicher Unsicherheitsbeitrag bestehen.

Wie wirkt sich die Unsicherheit von g auf den Druck aus?

Da der Druck direkt proportional zur Erdbeschleunigung ist, überträgt sich die relative Unsicherheit von g näherungsweise direkt auf den entsprechenden relativen Druckanteil.

Welches Produkt von ICS eignet sich besonders für dieses Thema?

Die WIKA CPB3800 Druckwaage ist besonders passend, da ihre Massen standardmäßig auf 9,80665 m/s² bezogen sind und auch auf lokale Fallbeschleunigung angepasst werden können.

Welchen Druckbereich deckt die CPB3800 ab?

Die hydraulische CPB3800 ist je nach Kolben-Zylinder-System für Messbereiche bis 1.200 bar ausgelegt.

Kann die CPB3800 vor Ort eingesetzt werden?

Ja. Durch die integrierte Druckerzeugung und das mechanische Messprinzip ist sie auch für Vor-Ort-Kalibrierungen geeignet.

Was macht die CPU6000?

Die CPU6000-Serie erfasst kalibrierrelevante Einflussgrößen und unterstützt in Verbindung mit einer Druckwaage die Berechnung der erforderlichen Massen beziehungsweise des Referenzdrucks.

Kann WIKA-Cal die Massenauflage berechnen?

Ja. WIKA-Cal kann in Verbindung mit Kolbenmanometern zur Bestimmung der erforderlichen Massenauflagen und des entsprechenden Referenzdrucks eingesetzt werden.

Wo finde ich weitere Kolbenmanometer?

Eine Übersicht finden Sie unter Kolbenmanometer und Druckwaagen bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Kalibriertechnik?

Weitere Produkte finden Sie unter Kalibriertechnik bei ICS Schneider.