Bei einer pneumatischen Druckkalibrierung wird ein Prüfpunkt häufig möglichst schnell angefahren. Ein Druckcontroller regelt beispielsweise innerhalb kurzer Zeit von 0 bar auf 10 bar, die Anzeige erreicht den Sollwert und auf den ersten Blick scheint der Prüfpunkt stabil zu sein. Wenige Sekunden später beginnt der gemessene Druck jedoch langsam zu sinken. Bei einer manuellen Druckerzeugung mit einer Handpumpe lässt sich derselbe Effekt beobachten: Der gewünschte Druck wird exakt eingestellt, anschließend fällt der Wert wieder leicht ab und muss scheinbar nachgeregelt werden.
Die naheliegende Vermutung lautet in beiden Fällen häufig: Das pneumatische System ist undicht. Das kann tatsächlich die Ursache sein, muss es aber nicht. Bei gasförmigen Druckmedien sind Druck, Temperatur und Volumen unmittelbar miteinander gekoppelt. Wird ein Gas schnell verdichtet, steigt nicht nur sein Druck, sondern auch seine Temperatur. Nach dem Ende der Kompression beginnt das erwärmte Gas, Wärme an den Prüfling, die Leitungen, Adapter, den Druckcontroller und schließlich an die Umgebung abzugeben. Während sich die Gastemperatur wieder an das thermische Gleichgewicht annähert, verändert sich auch der Druck.
Bei einer schnellen Druckreduzierung entsteht der umgekehrte Effekt. Das expandierende Gas kühlt zunächst ab. Anschließend nimmt es wieder Wärme aus seiner Umgebung auf. In einem weitgehend geschlossenen Volumen kann der Druck deshalb nach dem Erreichen eines niedrigeren Sollwertes wieder leicht ansteigen. Gerade bei hochgenauen Druckkalibrierungen sind diese Änderungen nicht nur theoretisch interessant. Sie können größer sein als die zulässige Messunsicherheit des gesamten Kalibrieraufbaus und damit direkt beeinflussen, welcher Messwert am Prüfpunkt dokumentiert wird.
Wie ausgeprägt dieser Effekt ist, hängt nicht nur vom Druckbereich ab. Auch die Größe des Drucksprungs, das angeschlossene Gasvolumen, der Prüfling, die Länge und Elastizität der Druckleitungen, die Umgebungstemperatur und die Art der Druckerzeugung spielen eine Rolle. Ein kompakter Aufbau mit kurzen Edelstahlleitungen verhält sich deshalb anders als ein System mit mehreren Metern flexiblem Druckschlauch und einem großvolumigen Prüfling.
Besonders kritisch wird die thermische Druckdrift bei Dichtheitsprüfungen. Dort wird gerade die Druckänderung über die Zeit als Messgröße verwendet. Beginnt die eigentliche Leckmessung unmittelbar nach einer schnellen Kompression, kann die anschließende Abkühlung des Gases wie eine Leckage aussehen, obwohl der Prüfaufbau tatsächlich dicht ist.
Für eine zuverlässige pneumatische Druckkalibrierung reicht es deshalb nicht aus, dass der Sollwert auf der Anzeige erreicht wurde. Entscheidend ist der Zustand des gesamten pneumatischen Systems. Erst wenn Druck, Gas, Leitungen, Prüfling und Referenz ausreichend stabilisiert sind, sollte der eigentliche Kalibrierwert übernommen werden.
Warum beeinflusst die Gastemperatur den Druck?
Druck, Temperatur und Volumen eines Gases sind physikalisch miteinander gekoppelt. Für viele praktische Betrachtungen bei einer pneumatischen Kalibrierung lässt sich dieser Zusammenhang zunächst mit der idealen Gasgleichung p · V = n · R · T beschreiben. Dabei steht p für den absoluten Druck, V für das Gasvolumen, n für die Stoffmenge, R für die universelle Gaskonstante und T für die absolute Temperatur.
Wichtig ist dabei insbesondere die absolute Temperatur in Kelvin. Solange Gasmenge und Volumen weitgehend konstant bleiben, führt eine Änderung der Gastemperatur auch zu einer Änderung des absoluten Drucks. Genau dieser Zusammenhang wird bei einer schnellen Druckänderung sichtbar. Das Gas befindet sich unmittelbar nach der Kompression oder Expansion zunächst nicht im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung.
In einem Kalibrieraufbau besteht die Umgebung des Gases zudem nicht nur aus der Raumluft. Wärme kann an die Innenwände von Druckschläuchen, Edelstahlleitungen, Adapter, Ventile, den Druckanschluss des Prüflings oder interne Hohlräume eines Druckcontrollers übertragen werden. Der thermische Ausgleich findet deshalb über das gesamte pneumatische System statt und nicht nur in einem einzelnen Schlauchabschnitt.
Bei einer normalen industriellen Druckmessung fallen kleine temperaturbedingte Druckänderungen häufig kaum auf. Bei einer Kalibrierung mit einer hochwertigen Referenz, deren Unsicherheit nur einen kleinen Bruchteil des Prüfdrucks beträgt, kann derselbe Effekt dagegen deutlich sichtbar werden. Je genauer die Messung werden soll, desto wichtiger wird daher die Frage, ob der angezeigte Druck tatsächlich bereits einen stabilen Zustand beschreibt.
Was bedeutet adiabatische Kompression?
Als adiabatisch wird idealisiert eine Zustandsänderung bezeichnet, bei der während des eigentlichen Vorgangs keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird. Eine reale pneumatische Druckkalibrierung ist natürlich kein perfekt adiabatisches System. Wird ein Gas jedoch sehr schnell komprimiert, bleibt während des Druckaufbaus nur wenig Zeit für den Wärmeaustausch mit den umgebenden Bauteilen. Der reale Vorgang kann sich deshalb kurzfristig einem adiabatischen Verhalten annähern.
Die Arbeit, die zur Verdichtung des Gases aufgewendet wird, erhöht dabei seine innere Energie. Die Gastemperatur steigt. Wird die Kompression beendet, beginnt unmittelbar der Wärmeaustausch mit der Umgebung. Das zunächst erwärmte Gas gibt Wärme an die kühleren Wandungen des Prüfaufbaus ab und nähert sich nach und nach deren Temperatur an.
Für die Kalibrierpraxis ist genau diese Übergangsphase entscheidend. Der Druck kann den Sollwert bereits erreicht haben, obwohl sich die Temperatur noch deutlich verändert. Druckstabilität und thermische Stabilität sind damit nicht zwangsläufig zur selben Zeit erreicht.
Was passiert bei einem schnellen Druckanstieg?
Wird der Druck schnell erhöht, muss zwischen zwei typischen Situationen unterschieden werden. Bei einer Handpumpe wird das vorhandene Gas durch eine Volumenverkleinerung komprimiert. Bei einem automatischen Druckcontroller wird häufig zusätzliches Gas aus einer Versorgungsquelle in das Prüfvolumen eingeregelt. In beiden Fällen kann sich das Gas während des schnellen Druckaufbaus erwärmen.
Angenommen, ein Prüfsystem wird innerhalb kurzer Zeit von Umgebungsdruck auf 20 bar gebracht. Unmittelbar nach dem Druckaufbau besitzt das Gas lokal möglicherweise eine höhere Temperatur als der angeschlossene Drucktransmitter, die Edelstahlleitung oder das Gehäuse des Controllers. Sobald die Regelbewegung endet, beginnt das Gas Wärme an diese Bauteile abzugeben.
Ist das pneumatische System danach geschlossen, sinkt der Druck während der Abkühlung. Bei einem automatischen Druckcontroller sieht der Anwender diesen Rückgang unter Umständen kaum, weil das Gerät sofort kleine Gasmengen nachregelt und den Sollwert aktiv hält. Physikalisch findet die thermische Stabilisierung jedoch trotzdem statt. Der Controller kompensiert lediglich einen Teil ihrer sichtbaren Auswirkungen auf den Druck.
Je größer der Drucksprung und je schneller er ausgeführt wird, desto deutlicher kann der thermische Übergang werden. Deshalb verhält sich ein Schritt von 19 bar auf 20 bar normalerweise günstiger als ein direkter Sprung von 0 bar auf 20 bar.
Was passiert bei einer schnellen Druckreduzierung?
Beim schnellen Ablassen beziehungsweise Expandieren eines Gases kehrt sich der Effekt grundsätzlich um. Während der Expansion kühlt das Gas zunächst ab. Nachdem der niedrigere Druckpunkt erreicht wurde, nimmt das kältere Gas Wärme von den umgebenden Bauteilen auf. In einem weitgehend geschlossenen Prüfvolumen kann der Druck deshalb während der anschließenden thermischen Stabilisierung wieder leicht steigen.
Dieser Effekt ist in der Kalibrierpraxis besonders interessant, weil er eine andere Richtung als nach einer Kompression haben kann. Nach einem schnellen Druckanstieg wird häufig ein langsam fallender Druck beobachtet, nach einer schnellen Druckreduzierung dagegen ein leicht steigender Druck.
| Vorheriger Vorgang | Gastemperatur unmittelbar danach | Typischer möglicher Drucktrend |
|---|---|---|
| Schnelle Kompression | Gas zunächst wärmer | Druck kann während der Abkühlung sinken |
| Schnelle Expansion | Gas zunächst kälter | Druck kann während der Erwärmung steigen |
Gerade bei einer auf- und absteigenden Kalibrierreihe kann dieser Unterschied zu scheinbar unterschiedlichen Messabweichungen führen. Werden die Werte zu früh aufgenommen, kann ein Teil der vermeintlichen Hysterese des Prüflings tatsächlich aus einem noch nicht stabilisierten pneumatischen System stammen.
Warum driftet der Druck nach dem Drucksprung?
In der Praxis besteht ein Kalibrieraufbau nicht nur aus einem Drucksensor und einer Druckquelle. Zwischen beiden befinden sich normalerweise Druckleitungen, Adapter, Dichtungen, Verteiler oder weitere Referenzgeräte. Auch der Prüfling selbst besitzt ein internes Volumen. Das tatsächlich relevante pneumatische System reicht deshalb vom Druckerzeuger bis in die letzte gasgefüllte Bohrung des angeschlossenen Prüflings.
Nach einem schnellen Drucksprung findet in all diesen Bereichen ein thermischer Ausgleich statt. Gleichzeitig reagieren auch die mechanischen Komponenten auf den neuen Druck. Flexible Schläuche können sich geringfügig ausdehnen, Dichtungen können sich setzen und Membranen im Prüfling können ihre Position verändern. Dadurch verändert sich das effektive Gasvolumen ebenfalls geringfügig.
Der nach einem Drucksprung beobachtete Driftwert ist deshalb häufig das Ergebnis mehrerer Effekte gleichzeitig. Ein Teil kann von der Gastemperatur stammen, ein anderer Teil von der Elastizität des Schlauchs und ein weiterer von einer kleinen realen Leckage. Genau deshalb ist eine Diagnose ausschließlich anhand eines einzelnen Druckwertes schwierig.
Für präzise Kalibrierungen sollte das gesamte System daher als Einheit betrachtet werden. Eine ausgezeichnete Druckreferenz allein garantiert noch keine ausgezeichnete Kalibrierung, wenn die angeschlossene Druckführung thermisch oder mechanisch instabil ist.
Temperaturdrift oder Leckage unterscheiden
Ein langsam fallender Druck nach einer schnellen Kompression wird in der Praxis sehr häufig als Undichtigkeit interpretiert. Das ist verständlich, denn auch bei einer Leckage verlässt Gas das Prüfvolumen und der Druck sinkt. Der zeitliche Verlauf kann jedoch Hinweise darauf geben, welcher Effekt dominiert.
Bei einer thermischen Stabilisierung ist die Änderung häufig unmittelbar nach dem Drucksprung am stärksten. Mit zunehmender Zeit wird die Drift kleiner und der Druck nähert sich einem stabileren Endzustand. Nach einer schnellen Expansion kann derselbe thermische Effekt sogar in die entgegengesetzte Richtung wirken und zu einem langsam steigenden Druck führen.
Bei einer tatsächlichen Leckage verschwindet der Druckverlust dagegen nicht allein dadurch, dass man länger wartet. Nach einer thermischen Stabilisierungsphase bleibt weiterhin eine Druckabnahme bestehen. Ihre Geschwindigkeit kann vom Druckniveau, von der Leckstelle und von der verwendeten Dichtung beziehungsweise Verbindung abhängen.
Besonders wichtig ist, dass beide Effekte gleichzeitig auftreten können. Ein Prüfaufbau kann sich zunächst thermisch stabilisieren und zusätzlich eine sehr kleine Undichtigkeit besitzen. Deshalb sollte bei einer Dichtheitsprüfung nicht direkt nach dem Druckaufbau bewertet werden. Sinnvoll ist eine Trennung in eine Druckaufbauphase, eine Stabilisierungsphase und erst danach die eigentliche Messphase für die Leckrate.
Wie verhält sich ein automatischer Druckcontroller?
Ein automatischer pneumatischer Druckcontroller unterscheidet sich an dieser Stelle deutlich von einem vollständig geschlossenen manuellen Prüfaufbau. Sinkt der Druck nach einer schnellen Kompression aufgrund der Abkühlung des Gases, erkennt die Regelung die Abweichung und dosiert eine kleine Gasmenge nach. Steigt der Druck nach einer Expansion wieder an, kann der Controller entsprechend Gas ablassen.
Der Anwender sieht dadurch häufig eine sehr stabile Druckanzeige, obwohl sich das thermische Gleichgewicht im angeschlossenen System noch entwickelt. Das ist einer der Gründe, weshalb hochwertige Druckcontroller sehr viel schneller und komfortabler arbeiten können als manuelle Pumpensysteme.
Trotzdem darf die Regelstabilität des Controllers nicht mit einer vollständig abgeschlossenen thermischen Stabilisierung gleichgesetzt werden. Der Controller besitzt eine endliche Sensorauflösung, Ventile und Regelalgorithmen und muss außerdem auf das externe Volumen des angeschlossenen Prüfaufbaus reagieren. Ein sehr kleines Volumen lässt sich schneller kontrollieren als ein Prüfling mit großem Innenvolumen und langen Leitungen.
Bei hohen Genauigkeitsanforderungen sollte deshalb nicht nur darauf geachtet werden, ob der Controller den Sollwert erreicht hat. Entscheidend ist, ob das vom Hersteller beziehungsweise vom eigenen Kalibrierverfahren definierte Stabilitäts- oder Ready-Kriterium erfüllt ist und ob der verbleibende Drucktrend für die gewünschte Messunsicherheit klein genug ist.
Warum ist der Effekt bei Handpumpen besonders sichtbar?
Bei einer manuellen pneumatischen Kalibrierpumpe wird der Druck beispielsweise durch Kolbenbewegung, einen Volumenregler oder eine Feinregulierspindel erzeugt. Nach dem Einstellen des gewünschten Druckes ist das System weitgehend geschlossen. Anders als bei einem automatischen Controller gibt es keine aktive Regelung, die eine temperaturbedingte Druckänderung automatisch kompensiert.
Dadurch wird der typische Ablauf besonders deutlich sichtbar: Der gewünschte Druck wird eingestellt, anschließend beginnt der Wert langsam wegzulaufen und nähert sich erst nach einiger Zeit einem stabileren Zustand. Bei großen Drucksprüngen kann es notwendig sein, den Wert nach der ersten Stabilisierung noch einmal vorsichtig zu korrigieren.
Problematisch ist jedoch ein permanentes Nachregeln. Wird der Druck sofort bei jeder kleinen Änderung wieder nachgestellt, wird das Gas erneut komprimiert oder expandiert. Damit entsteht wiederum ein neuer thermischer Übergang. Im ungünstigen Fall verlängert man die Stabilisierungsphase dadurch selbst.
Bei manuellen Kalibrierungen ist es deshalb häufig sinnvoller, den Druck zunächst etwas ruhen zu lassen, den Trend zu beobachten und erst nach einer ersten thermischen Beruhigung eine kleine Feinjustierung vorzunehmen.
Welchen Einfluss hat das pneumatische Volumen?
Das angeschlossene pneumatische Volumen ist ein wesentlicher Einflussfaktor auf Geschwindigkeit und Stabilität einer Druckkalibrierung. Zum Gesamtvolumen gehören nicht nur die sichtbaren Druckleitungen. Auch Adapterbohrungen, Verteiler, Referenzgeräte und das interne Volumen des Prüflings tragen dazu bei.
Ein großes Volumen enthält mehr Gas und benötigt in der Regel mehr Zeit für Druckaufbau und Druckreduzierung. Gleichzeitig steht eine größere Gasmenge im thermischen Austausch mit den umgebenden Bauteilen. Der automatische Controller muss entsprechend größere Gasmengen ein- oder ausregeln, und bei einer Handpumpe ist eine größere Volumenänderung erforderlich.
Das bedeutet nicht, dass ein möglichst kleines Volumen unter allen Umständen das einzige Ziel ist. Leitungsquerschnitte, zulässige Druckverluste, mechanische Sicherheit und der notwendige Anschluss des Prüflings müssen selbstverständlich ebenfalls berücksichtigt werden. Für hochgenaue Kalibrierungen sollte unnötiges Totvolumen jedoch vermieden werden.
Ein kompakter Kalibrieraufbau ist deshalb meist nicht nur ordentlicher, sondern auch messtechnisch günstiger.
Warum kurze Leitungen die Stabilisierung verbessern
Lange Druckschläuche beeinflussen eine pneumatische Kalibrierung in mehrfacher Hinsicht. Zunächst erhöhen sie das Gasvolumen. Zusätzlich besitzen flexible Schläuche keine unendlich steife Wand. Unter Druck können sie sich geringfügig ausdehnen, wodurch sich das verfügbare Volumen verändert.
Hinzu kommt der thermische Einfluss. Ein langer Schlauch besitzt eine große Oberfläche und steht über seine gesamte Länge im Wärmeaustausch mit der Umgebung. Liegt ein Teil des Schlauchs beispielsweise auf einem kalten Metalltisch und ein anderer Teil in der Nähe eines warmen Netzteils, entstehen unterschiedliche lokale Temperaturen.
Für eine hochgenaue Kalibrierung sind daher kurze und druckstabile Leitungswege sinnvoll. Wo möglich, können Edelstahlleitungen oder hochwertige, für den Druckbereich geeignete Kalibrierschläuche verwendet werden. Unnötige Verlängerungen, große Verteiler oder mehrere hintereinander geschaltete Adapter erhöhen dagegen das pneumatische Volumen und schaffen zusätzliche potenzielle Leckstellen.
Eine mehrere Meter lange aufgerollte Druckleitung unmittelbar neben dem Kalibrator sollte deshalb nicht als neutrale Komponente betrachtet werden. Sie kann das Stabilisierungsverhalten des gesamten Systems merklich verändern.
Der Prüfling ist Teil des pneumatischen Volumens
Auch der Prüfling selbst beeinflusst die Stabilisierung. Zwei Drucksensoren mit identischem Messbereich können vollkommen unterschiedliche interne Volumina besitzen. Ein kompakter piezoresistiver Drucktransmitter verhält sich anders als ein großes mechanisches Manometer, ein Differenzdrucktransmitter mit internen Druckwegen oder ein Prüfling mit zusätzlichem Druckmittler.
Besonders deutlich wird dieser Effekt, wenn mehrere Geräte gleichzeitig an einen Druckcontroller angeschlossen werden. Das Gesamtvolumen wächst und gleichzeitig entstehen weitere Leitungen, Adapter und Dichtstellen. Ein Controller, der an einem verschlossenen Ausgang innerhalb sehr kurzer Zeit stabil ist, kann mit demselben Druckbereich und einem großvolumigen Prüfaufbau merklich länger benötigen.
Die Stabilisierungszeit ist deshalb keine feste Eigenschaft des Druckcontrollers allein. Sie entsteht aus dem Zusammenspiel von Controller, Druckbereich, Drucksprung, Leitungssystem und Prüfling.
Schläuche, Rohre und Adapter verändern ebenfalls ihr Volumen
Alle druckbeaufschlagten Bauteile besitzen eine gewisse Elastizität. Bei einer starren Edelstahlleitung ist die Volumenänderung zwar wesentlich kleiner als bei einem flexiblen Schlauch, mathematisch vollständig unverformbar ist jedoch auch sie nicht. Dichtungen, Membranen und Schlauchwandungen können sich unter Druck ebenfalls geringfügig verformen.
Bei üblichen industriellen Kalibrierungen bleibt dieser Einfluss häufig so klein, dass er gegenüber anderen Unsicherheitsbeiträgen keine wesentliche Rolle spielt. Bei sehr hochauflösenden Referenzmessungen kann er dagegen sichtbar werden. Besonders flexible Schläuche können nach einem großen Drucksprung nicht nur sofort, sondern teilweise auch zeitabhängig reagieren.
Dadurch kann eine zusätzliche langsame Volumenänderung entstehen, die sich wiederum als Drucktrend bemerkbar macht. Ein beobachteter Driftwert muss daher nicht ausschließlich thermischen Ursprungs sein.
Lokale Temperaturunterschiede im Messsystem
Bei theoretischen Betrachtungen wird häufig angenommen, dass das Gas im gesamten Prüfaufbau dieselbe Temperatur besitzt. In einer realen Kalibrierung ist das nicht zwangsläufig der Fall. Ein Schlauch kann auf einem kalten Metalltisch liegen, während ein anderer Abschnitt direkt neben einem warmen Gerät verläuft. Ein Drucktransmitter kann durch seine interne Elektronik erwärmt werden, während eine längere Leitung von der Klimaanlage angeströmt wird.
Auch der Bediener kann einen messbaren Einfluss erzeugen. Wird eine dünnwandige Druckleitung oder ein kleiner Prüfling längere Zeit mit der Hand gehalten, wird Wärme übertragen. Bei niedrigen Genauigkeitsanforderungen ist das unkritisch. Bei hochauflösenden Messungen können solche lokalen Temperaturänderungen jedoch sichtbar werden.
Deshalb sollte ein hochwertiger Kalibrierarbeitsplatz möglichst konstante Umgebungsbedingungen bieten. Direkte Sonneneinstrahlung, starke Luftströmungen, Heizkörper, warme Netzteile und andere wechselnde Wärmequellen in unmittelbarer Nähe der Druckführung sind ungünstig.
Wie lange muss nach einem Drucksprung gewartet werden?
Eine universelle Antwort wie „immer zehn Sekunden warten“ gibt es nicht. Ein kleiner Druckschritt in einem kompakten Prüfaufbau kann innerhalb sehr kurzer Zeit ausreichend stabil sein. Ein großer Sprung auf hohen Druck mit einem großen angeschlossenen Volumen kann dagegen deutlich länger benötigen.
Die erforderliche Stabilisierungszeit hängt unter anderem von Druckhöhe, Größe des Drucksprungs, Gasvolumen, Leitungslänge, Leitungsmaterial, Prüflingsvolumen, Regelverfahren und gewünschter Messunsicherheit ab. Auch die Frage, ob der Druck aktiv von einem Controller geregelt oder in einem geschlossenen manuellen System gehalten wird, verändert das Verhalten.
Eine feste Wartezeit kann für standardisierte Prüfabläufe trotzdem sinnvoll sein, wenn sie zuvor anhand realer Messungen verifiziert wurde. Problematisch wird sie nur dann, wenn sie ohne Kenntnis des tatsächlichen Stabilisierungsverhaltens festgelegt wird.
Für anspruchsvolle Kalibrierungen ist deshalb der tatsächliche Drucktrend wichtiger als die reine Stoppuhr. Der Messwert sollte erst dann übernommen werden, wenn die verbleibende Änderung innerhalb der für die Messaufgabe zulässigen Grenze liegt.
Stabilitätskriterium statt fester Wartezeit
Bei automatisierten und hochgenauen Kalibrierungen ist ein definiertes Stabilitätskriterium häufig sinnvoller als eine pauschale Wartezeit. Dabei wird beispielsweise geprüft, wie stark sich der Druck innerhalb eines bestimmten Zeitfensters noch verändert. Erst wenn diese Änderung kleiner als ein festgelegter Grenzwert ist, gilt der Prüfpunkt als stabil.
Ein solches Kriterium muss zur Messaufgabe passen. Bei einem Prozessmanometer mit einer vergleichsweise großen zulässigen Messabweichung kann eine kleine verbleibende Druckdrift vollkommen unbedeutend sein. Bei einem hochgenauen Referenztransmitter kann dieselbe Drift dagegen bereits einen wesentlichen Anteil der gesamten Messunsicherheit ausmachen.
Die Stabilitätsgrenze sollte deshalb aus der gewünschten Kalibrierunsicherheit abgeleitet werden. Entscheidend ist nicht, einen theoretisch vollkommen konstanten Druck zu erreichen. Das ist in einem realen System praktisch unmöglich. Entscheidend ist vielmehr, dass die verbleibende Änderung während der eigentlichen Messwertaufnahme so klein ist, dass sie das Ergebnis nicht relevant verfälscht.
Druckpunkte sinnvoll anfahren
Auch die Wahl der Druckfolge beeinflusst das thermische Verhalten. Ein direkter Sprung von 0 auf 100 % des Messbereichs verursacht eine deutlich größere Zustandsänderung als ein Schritt von 75 auf 100 %. Wird eine Kalibrierung beispielsweise über 0 → 25 → 50 → 75 → 100 % durchgeführt, sind die einzelnen Druckänderungen kleiner und damit häufig auch thermisch leichter beherrschbar.
Für eine vollständige Kalibrierung mit Bewertung der Hysterese kann anschließend eine fallende Reihe über 100 → 75 → 50 → 25 → 0 % gefahren werden. Dabei sollte an jedem Prüfpunkt erneut geprüft werden, ob die Stabilitätsbedingung erfüllt ist.
Gerade beim Vergleich der steigenden und fallenden Reihe ist diese Vorgehensweise wichtig. Würde bei der aufsteigenden Reihe unmittelbar nach einer Kompression und bei der fallenden Reihe unmittelbar nach einer Expansion gemessen, könnten thermische Effekte fälschlicherweise als Hysterese des Prüflings interpretiert werden.
Warum der Effekt bei Dichtheitsprüfungen besonders kritisch ist
Bei einer Dichtheitsprüfung wird typischerweise nicht nur ein absoluter Druckwert betrachtet. Entscheidend ist die Druckänderung während eines definierten Zeitraums. Genau deshalb können thermische Effekte eine Leckmessung besonders stark verfälschen.
Wird das Prüfvolumen zunächst schnell auf den gewünschten Prüfdruck gebracht, erwärmt sich das Gas. Beginnt unmittelbar danach die Messzeit, sinkt der Druck während der Abkühlung. Die Auswertung kann diesen Druckverlust als Leckrate interpretieren, obwohl überhaupt keine relevante Menge Gas aus dem System austritt.
Eine saubere Dichtheitsprüfung trennt daher drei Phasen klar voneinander: Zunächst wird der Prüfdruck aufgebaut, anschließend folgt eine ausreichende Stabilisierung und erst danach beginnt die eigentliche Messzeit für die Leckbewertung. Wie lang die Stabilisierungsphase sein muss, hängt wiederum vom Prüfvolumen, vom Druckniveau und von der geforderten Nachweisgrenze ab.
Die Stabilisierungszeit ist damit kein unnötiger Zeitverlust. Sie ist ein wesentlicher Bestandteil einer reproduzierbaren Leckprüfung und sorgt dafür, dass die später beobachtete Druckänderung tatsächlich möglichst stark mit einer Leckage und möglichst wenig mit dem thermischen Ausgleich zusammenhängt.
Praxisbeispiel: Kalibrierung eines Drucktransmitters bis 20 bar
Ein Drucktransmitter mit einem Messbereich von 0...20 bar soll pneumatisch kalibriert werden. Als Referenz und Druckerzeuger wird ein automatischer Druckcontroller verwendet. Der Prüfling wird mit einer kurzen, druckstabilen Leitung angeschlossen. Unnötige Adapter und zusätzliche Schlauchlängen werden vermieden, damit das externe pneumatische Volumen möglichst klein bleibt.
Vor Beginn der Kalibrierung wird der komplette Aufbau auf eine relevante Leckage geprüft und ausreichend temperiert. Anschließend wird der Nullpunkt des Prüflings unter stabilen Bedingungen dokumentiert. Der erste Druckpunkt beträgt 5 bar. Der Controller erreicht diesen Sollwert innerhalb kurzer Zeit, der Messwert wird jedoch nicht sofort übernommen.
Stattdessen werden Referenzdruck und Prüflingssignal beobachtet, bis das definierte Stabilitätskriterium erfüllt ist. Erst dann werden beide Werte gespeichert. Danach folgen 10 bar, 15 bar und 20 bar. An jedem Punkt wird derselbe Ablauf verwendet: Druck anfahren, stabilisieren lassen und erst danach den Messwert erfassen.
Für die fallende Reihe wird anschließend von 20 bar über 15 bar, 10 bar und 5 bar zurück auf 0 bar gefahren. Nach den schnellen Druckreduzierungen kann das Gas zunächst etwas kühler sein als seine Umgebung. Die thermische Drift kann daher eine andere Richtung besitzen als während der steigenden Reihe. Auch hier wird deshalb auf die Stabilisierung gewartet.
Dieser Ablauf verhindert, dass ein zeitabhängiger thermischer Übergangszustand als Messabweichung oder Hysterese des Drucktransmitters dokumentiert wird. Besonders bei hochgenauen Prüflingen kann genau dieser Unterschied entscheidend sein.
Was ändert sich bei sehr hoher Genauigkeit?
Je kleiner die gewünschte Messunsicherheit wird, desto mehr Einflussgrößen werden relevant, die bei einer gewöhnlichen Prozessmessung kaum auffallen würden. Neben der thermischen Druckdrift können dann beispielsweise kleinste Leckagen, elastische Volumenänderungen der Leitungen, Dichtungssetzungen, Referenzdrift oder Höhendifferenzen zwischen Referenz und Prüfling eine Rolle spielen.
Bei Absolutdruckmessungen beziehungsweise bei Messverfahren, die einen barometrischen Referenzwert benötigen, kommt zusätzlich die Qualität der verwendeten Barometerinformation hinzu. Bei sehr niedrigen Differenzdrücken kann selbst eine geringe Höhendifferenz zwischen den Anschlusspunkten bereits messbar werden.
Ein hochgenauer Sensor allein führt deshalb nicht automatisch zu einer hochgenauen Kalibrierung. Die gesamte Messkette einschließlich Druckerzeugung, Leitungsführung, Referenz, Prüfling, Umgebung und Prüfverfahren muss zur gewünschten Unsicherheit passen.
Gerade deshalb ist eine definierte Stabilisierung kein Nebenthema. Je besser die eingesetzte Referenz wird, desto eher können bislang vernachlässigte thermische und mechanische Effekte zum dominierenden Unsicherheitsbeitrag werden.
Systematische Vorgehensweise
Für eine reproduzierbare pneumatische Kalibrierung sollte zunächst ein geeignetes Druckmedium gewählt und der erforderliche Prüfbereich festgelegt werden. Das pneumatische Volumen sollte so klein wie sinnvoll gehalten werden. Kurze, druckstabile Leitungen und möglichst wenige unnötige Adapter erleichtern nicht nur den Druckaufbau, sondern reduzieren zugleich zusätzliche Leckstellen und thermische Einflüsse.
Vor der eigentlichen Messung sollten Controller beziehungsweise Referenz und Prüfling ausreichend temperiert sein. Der vollständige Prüfaufbau wird auf Dichtheit geprüft. Danach werden die Druckpunkte reproduzierbar angefahren. Nach größeren Drucksprüngen wird nicht sofort abgelesen, sondern der Drucktrend beziehungsweise die Stabilitätsanzeige des Controllers beobachtet.
Bei manueller Druckerzeugung sollte nicht jede kleine Drift unmittelbar nachgeregelt werden. Sinnvoller ist es, zunächst eine erste Stabilisierung abzuwarten und anschließend fein zu korrigieren. Bei automatisierten Prüfungen kann ein definiertes Ready- oder Stabilitätskriterium festgelegt werden.
Steigende und fallende Druckreihen sollten getrennt dokumentiert werden. Für Dichtheitsprüfungen ist eine eigene Stabilisierungsphase vor Beginn der eigentlichen Messzeit vorzusehen. Gleichzeitig sollte die gewählte Stabilitätsgrenze immer zur geforderten Messunsicherheit passen.
Häufige Fehler
Messwert unmittelbar nach Erreichen des Sollwertes übernehmen
Der Druckcontroller kann den gewünschten Wert bereits anzeigen, obwohl Gas und Prüfaufbau thermisch noch nicht stabil sind. Gerade nach großen Drucksprüngen kann der Messwert deshalb anschließend noch merklich wandern.
Jeden Druckabfall als Leckage interpretieren
Nach einer schnellen Kompression kann die Abkühlung des Gases ebenfalls einen Druckabfall verursachen. Erst wenn die thermische Drift weitgehend abgeklungen ist, lässt sich eine kleine Leckage zuverlässig beurteilen.
Immer dieselbe feste Wartezeit verwenden
Eine festgelegte Wartezeit kann sinnvoll sein, wenn sie für einen definierten Prüfaufbau verifiziert wurde. Sie sollte jedoch nicht unabhängig von Druckbereich, Volumen, Prüfling und Genauigkeitsanforderung übernommen werden.
Unnötig lange Schläuche verwenden
Lange Leitungen erhöhen Gasvolumen, Elastizität und Wärmeaustauschfläche. Dadurch können Druckaufbau und Stabilisierung langsamer werden.
Den Prüfling nicht als Teil des pneumatischen Systems betrachten
Große interne Volumina, Membranen oder zusätzliche Anschlüsse des Prüflings können das Regelverhalten erheblich verändern. Die Stabilisierungszeit des Controllers gilt deshalb nicht unabhängig vom angeschlossenen Prüfaufbau.
Bei einer Handpumpe permanent nachregeln
Jede Korrektur komprimiert oder expandiert das Gas erneut und kann damit einen neuen thermischen Übergang erzeugen. Ständiges Nachstellen kann die Stabilisierung daher sogar verlängern.
Den Lecktest direkt nach dem Druckaufbau starten
Die anschließende thermische Druckänderung kann als scheinbare Leckrate ausgewertet werden. Eine getrennte Stabilisierungsphase ist deshalb besonders wichtig.
Nur auf die Genauigkeit der Referenz achten
Eine sehr genaue Druckreferenz kann nur dann sinnvoll genutzt werden, wenn auch Leitungsführung, Temperatur, Dichtheit und Stabilisierung des Prüfaufbaus zur gewünschten Messunsicherheit passen.
Passender automatischer Druckcontroller
Für hochgenaue und automatisierte pneumatische Druckkalibrierungen bietet sich beispielsweise der Druck PACE5000E an. Der modulare Druckcontroller wurde für Anwendungen in Kalibrierlaboren, Prüfständen, Produktion sowie Forschung und Entwicklung konzipiert und verbindet eine schnelle automatische Druckregelung mit hoher Regelstabilität.
Je nach eingesetztem PACE-CM-Steuermodul lassen sich unterschiedliche Druckbereiche abdecken. Für besonders anspruchsvolle Referenzanwendungen kann ein PACE CM3 eingesetzt werden. Damit eignet sich das System insbesondere für Anwendungen, bei denen nicht nur ein Druck erzeugt, sondern dieser reproduzierbar und mit sehr kleiner Messunsicherheit eingestellt werden soll.
Für das hier behandelte Thema ist vor allem die automatisierte Regelung interessant. Sinkt der Druck nach einer schnellen Kompression aufgrund des thermischen Ausgleichs, kann der Controller aktiv nachregeln. Das verkürzt die Zeit bis zu einem verwendbaren Prüfpunkt und reduziert den manuellen Aufwand deutlich.
Gleichzeitig zeigt gerade die integrierte Dichtheitsprüfung, warum eine Stabilisierungsphase weiterhin notwendig ist. Zwischen dem eigentlichen Druckaufbau und der Auswertung des Druckverlustes wird eine Verweilzeit genutzt, damit der thermische Ausgleich nicht fälschlicherweise als Leckage interpretiert wird.
Das zugrunde liegende Prinzip gilt ebenso für normale Kalibrierabläufe: Druck anfahren → Stabilisierung abwarten → Messwert erfassen. Ein automatischer Druckcontroller kann diese Schritte wesentlich schneller und reproduzierbarer durchführen, die thermodynamischen Vorgänge im angeschlossenen Gasvolumen jedoch nicht vollständig beseitigen.
Weitere automatische und manuelle Druckkalibratoren, Druckpumpen, Referenzmessgeräte und Kalibriersysteme finden Sie unter Kalibriertechnik bei ICS Schneider.
Fazit
Eine pneumatische Druckkalibrierung ist nicht automatisch in dem Moment stabil, in dem der gewünschte Sollwert erstmals erreicht wird. Bei einer schnellen Kompression erwärmt sich das Gas. Während es anschließend Wärme an Prüfling, Leitungen und Umgebung abgibt, kann der Druck wieder sinken. Nach einer schnellen Expansion tritt der umgekehrte Effekt auf: Das Gas kühlt ab und der Druck kann während der anschließenden Erwärmung wieder steigen.
Wie stark diese thermische Drift ausfällt, hängt vom gesamten Prüfaufbau ab. Drucksprung, Gasvolumen, Leitungslänge, Schlauchmaterial, Prüflingsvolumen, Umgebungstemperatur und Art der Druckregelung beeinflussen gemeinsam das Verhalten. Bei einem automatischen Druckcontroller werden die entstehenden Druckabweichungen aktiv ausgeregelt, bei einer manuellen Handpumpe sind sie dagegen unmittelbar sichtbar.
Besonders wichtig ist die Unterscheidung zwischen thermischer Stabilisierung und tatsächlicher Leckage. Eine temperaturbedingte Druckänderung wird typischerweise mit zunehmender Zeit kleiner. Eine reale Leckage führt dagegen auch nach abgeschlossener Stabilisierung weiterhin zu einem Druckverlust. Bei Dichtheitsprüfungen muss deshalb zwischen Druckaufbau, Stabilisierung und eigentlicher Messphase unterschieden werden.
Je höher die gewünschte Genauigkeit ist, desto wichtiger wird diese Vorgehensweise. Ein hochgenauer Druckcontroller oder eine sehr genaue Referenz allein reichen nicht aus, wenn der angeschlossene pneumatische Aufbau noch im thermischen Übergang ist.
Für eine zuverlässige Druckkalibrierung gilt deshalb: Nicht der Zeitpunkt, an dem der Sollwert erstmals auf der Anzeige erscheint, ist der eigentliche Messpunkt. Maßgeblich ist der Zeitpunkt, an dem Druck und thermischer Zustand des gesamten Prüfaufbaus ausreichend stabil sind, um den Messwert mit der geforderten Unsicherheit zu übernehmen.
FAQ: Pneumatische Druckkalibrierung und Stabilisierung
Warum fällt der Druck nach einer schnellen Druckerhöhung wieder etwas ab?
Bei einer schnellen Kompression kann sich das Gas erwärmen. Nach dem Erreichen des Druckpunktes gibt es Wärme an Leitungen, Prüfling und Umgebung ab. Während das Gas wieder abkühlt, kann bei weitgehend konstantem Volumen auch der Druck sinken. Ein leichter Druckabfall unmittelbar nach einem schnellen Drucksprung ist deshalb nicht automatisch ein Hinweis auf eine Undichtigkeit.
Ist ein fallender Druck nach der Kompression automatisch ein Leck?
Nein. Eine thermisch verursachte Druckänderung ist unmittelbar nach dem Drucksprung häufig am stärksten und wird mit zunehmender Stabilisierungszeit kleiner. Eine Leckage kann dagegen auch nach dem thermischen Ausgleich einen fortlaufenden Druckverlust verursachen. In der Praxis können beide Effekte gleichzeitig auftreten.
Was passiert nach einer schnellen Druckreduzierung?
Bei einer schnellen Expansion kühlt das Gas zunächst ab. Nachdem der niedrigere Druck erreicht wurde, nimmt das Gas wieder Wärme von den umgebenden Bauteilen auf. Dadurch kann der Druck in einem geschlossenen oder weitgehend geschlossenen System anschließend geringfügig steigen.
Was bedeutet adiabatische Kompression?
Bei einer ideal adiabatischen Kompression findet während der Zustandsänderung kein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt. Eine reale pneumatische Kalibrierung ist nicht vollständig adiabatisch. Bei sehr schnellen Druckänderungen bleibt für den Wärmeaustausch jedoch zunächst wenig Zeit, sodass sich das Verhalten kurzfristig einem adiabatischen Prozess annähern kann.
Wie lange muss nach einem Drucksprung gewartet werden?
Es gibt keine universell gültige Wartezeit. Sie hängt unter anderem von Druckhöhe, Größe des Drucksprungs, angeschlossenem Gasvolumen, Leitungslänge, Prüfling und gewünschter Messunsicherheit ab. Bei präzisen Kalibrierungen ist es daher sinnvoller, ein Stabilitätskriterium zu verwenden, anstatt grundsätzlich eine feste Anzahl von Sekunden zu warten.
Warum beeinflusst ein langer Druckschlauch die Stabilisierung?
Ein langer Schlauch erhöht zunächst das pneumatische Volumen. Gleichzeitig besitzt er eine große Oberfläche für den Wärmeaustausch und kann sich unter Druck geringfügig elastisch ausdehnen. Dadurch kann sich sowohl das Regelverhalten als auch die Zeit bis zu einem ausreichend stabilen Druckpunkt verändern.
Macht ein automatischer Druckcontroller die Stabilisierung überflüssig?
Nein. Ein automatischer Controller kann die temperaturbedingten Druckänderungen aktiv ausregeln und damit schneller einen stabilen Sollwert bereitstellen. Das angeschlossene Gasvolumen durchläuft den thermischen Ausgleich trotzdem. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen sollte daher weiterhin geprüft werden, ob das vorgesehene Stabilitätskriterium erreicht ist.
Warum stabilisiert ein Druckcontroller mit unterschiedlichen Prüflingen unterschiedlich schnell?
Der Prüfling ist Teil des angeschlossenen pneumatischen Systems. Große interne Volumina, Membranen, zusätzliche Leitungen oder mehrere gleichzeitig angeschlossene Geräte erhöhen das Gesamtvolumen und können das Regel- und Stabilisierungsverhalten verändern. Die Geschwindigkeit hängt daher nicht allein vom Controller ab.
Warum ist der adiabatische Effekt bei einer Dichtheitsprüfung problematisch?
Bei einer Dichtheitsprüfung wird gerade die Druckänderung über die Zeit ausgewertet. Beginnt die Messung unmittelbar nach einer schnellen Kompression, kann das anschließende Abkühlen des Gases einen Druckverlust verursachen, der fälschlicherweise als Leckage interpretiert wird.
Wie sollte eine Dichtheitsprüfung aufgebaut sein?
Eine zuverlässige Prüfung sollte Druckaufbau, Stabilisierungsphase und eigentliche Messphase voneinander trennen. Erst nachdem sich das thermische Verhalten ausreichend beruhigt hat, sollte die Druckänderung zur Bewertung der Leckrate aufgezeichnet werden.
Warum sollte ich bei einer Handpumpe nicht ständig nachregeln?
Jede erneute Druckkorrektur führt zu einer weiteren Kompression oder Expansion des Gases und damit zu einem neuen thermischen Übergang. Permanentes Nachstellen kann deshalb verhindern, dass sich das System tatsächlich stabilisiert. Häufig ist es günstiger, zunächst den Trend abzuwarten und erst danach fein nachzuregeln.
Was ist für hochgenaue Druckkalibrierungen besonders wichtig?
Neben einer geeigneten Referenz sind ein dichter und kompakter Prüfaufbau, kurze druckstabile Leitungen, stabile Umgebungstemperaturen sowie eine ausreichende thermische Stabilisierung entscheidend. Die zulässige Restdrift sollte zur gewünschten Messunsicherheit passen.
Warum können steigende und fallende Druckreihen unterschiedlich driften?
Bei der steigenden Reihe wird das Gas durch die Kompression zunächst erwärmt. Bei der fallenden Reihe kann es durch die Expansion abkühlen. Die anschließende thermische Stabilisierung wirkt daher häufig in unterschiedliche Richtungen. Werden die Werte zu früh aufgenommen, kann dieser Effekt fälschlicherweise wie eine Hysterese des Prüflings aussehen.
Ist der Effekt bei Stickstoff und Luft unterschiedlich?
Der grundsätzliche Zusammenhang zwischen Druck, Temperatur und Volumen gilt sowohl für Stickstoff als auch für Luft. Die genaue Stärke des Effekts hängt jedoch von den thermodynamischen Eigenschaften des Gases und vor allem vom konkreten Prüfaufbau, dem Druckbereich und der Geschwindigkeit der Druckänderung ab.