Shunt-Kalibrierung Massedrucksensor: 80-%-Signal richtig verstehen

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Viele Massedrucksensoren für Extruder, Spritzgussmaschinen und Kunststoffverarbeitungsanlagen besitzen eine interne Shunt-Kalibrierung. Wird die entsprechende Kalibrierfunktion aktiviert, zeigt die angeschlossene Auswerteelektronik häufig einen Wert von ungefähr 80 % des Messbereichs an. Bei einem Sensor mit 0 bis 1.000 bar wären das beispielsweise 800 bar.

Dieser angezeigte Wert wird in der Praxis häufig falsch interpretiert. Während der Shunt-Kalibrierung liegen nicht tatsächlich 800 bar am Sensor an. Die Prozessmembran wird nicht belastet und im Messkanal entsteht kein realer Druck. Stattdessen wird die elektrische DMS-Messbrücke durch einen definierten Widerstand verstimmt. Dadurch erzeugt der Sensor ein Ausgangssignal, das dem elektrischen Signal bei etwa 80 % der Messspanne entspricht.

Die Shunt-Funktion ist deshalb eine sehr hilfreiche Prüfung für Sensor, Kabel, Steckverbindung, Messverstärker, Anzeige und Skalierung. Sie ersetzt jedoch keine echte Druckkalibrierung. Mechanische Schäden an der Prozessmembran, Probleme der internen Druckübertragung, Hysterese, Linearitätsabweichungen oder eine fehlerhafte Einbaubohrung können mit dem Shunt-Signal nicht zuverlässig beurteilt werden.

Dieser Beitrag erklärt, wie die Shunt-Kalibrierung bei Massedrucksensoren arbeitet, warum aus dem 80-%-Signal kein realer Prozessdruck entsteht und wie sich die Funktion bei Inbetriebnahme und Fehlersuche richtig einsetzen lässt. Geeignete Sensoren finden Sie in der Kategorie Dynisco Massedrucksensoren. Für die getrennte Prüfung von Messverstärkern, Anzeigen und Signaleingängen stehen im Bereich Simulatoren passende Prüfgeräte zur Verfügung.

Was bedeutet Shunt-Kalibrierung?

Der Begriff Shunt bezeichnet einen elektrischen Parallelwiderstand. Bei der Shunt-Kalibrierung wird ein definierter Widerstand parallel zu einem Teil der DMS-Messbrücke geschaltet. Dadurch verändert sich das elektrische Gleichgewicht der Brücke. Am Ausgang entsteht eine Differenzspannung, obwohl die Prozessmembran nicht durch Druck belastet wird.

Dynisco bezeichnet diese Funktion häufig als R-CAL beziehungsweise Resistance Calibration. Bei vielen Massedrucksensoren ist der erforderliche Widerstand bereits im Sensor integriert. Er wird über zwei separate Kontakte, beispielsweise CAL 1 und CAL 2, oder über eine entsprechende Funktion der angeschlossenen Auswerteelektronik aktiviert.

Die Bezeichnung Kalibrierung kann an dieser Stelle missverständlich sein. Der Shunt-Test erzeugt einen bekannten elektrischen Referenzzustand. Damit lässt sich prüfen, ob die elektrische Messkette auf ein definiertes Signal richtig reagiert. Der Sensor wird dabei jedoch nicht mit einem bekannten mechanischen Druck verglichen.

Fachlich handelt es sich daher vor allem um eine elektrische Funktions-, Skalierungs- und Plausibilitätsprüfung. Für die Inbetriebnahme und Fehlersuche ist sie sehr wertvoll. Für eine vollständige Aussage über die tatsächliche Druckmessung reicht sie allein nicht aus.

Wie arbeitet die DMS-Brücke im Massedrucksensor?

Viele klassische Massedrucksensoren arbeiten mit einer Dehnungsmessstreifen-Brücke. Der Prozessdruck wirkt auf eine vordere Membran, die direkt mit der Kunststoffschmelze oder dem Prozessmedium in Kontakt steht. Die Druckinformation wird über den Sensoraufbau zur eigentlichen Messzelle übertragen.

An der Messzelle befinden sich Dehnungsmessstreifen, deren elektrischer Widerstand sich bei mechanischer Verformung geringfügig verändert. Mehrere dieser Widerstände sind zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet. Die Brücke wird mit einer stabilen Speisespannung versorgt und liefert eine kleine Differenzspannung als Ausgangssignal.

Ohne Druck befindet sich die Brücke idealerweise in einem weitgehend ausgeglichenen Zustand. Das Ausgangssignal liegt dann nahe dem elektrischen Nullpunkt. Steigt der Prozessdruck, verändert die mechanische Belastung die Widerstände der Dehnungsmessstreifen. Die Brücke wird zunehmend verstimmt und die Ausgangsspannung steigt entsprechend dem Druck.

Da die Signalspannung nur wenige Millivolt beträgt, benötigt ein klassischer mV/V-Massedrucksensor eine passende Auswerteelektronik. Diese stellt die Brückenspeisung bereit, verstärkt das Differenzsignal und skaliert es auf den Druckmessbereich.

Was bedeutet ein Ausgangssignal in mV/V?

Die Empfindlichkeit vieler Massedrucksensoren wird in Millivolt pro Volt angegeben. Ein Nennsignal von 3,33 mV/V bedeutet, dass der Sensor bei vollem Messbereich pro Volt Speisespannung eine Ausgangsspannung von 3,33 mV erzeugt.

Bei einer Brückenspeisung von 10 V ergibt sich daraus:

3,33 mV/V × 10 V = 33,3 mV bei 100 % des Messbereichs

Wird derselbe Sensor nur mit 5 V gespeist, beträgt das Vollbereichssignal ungefähr 16,65 mV. Die elektrische Ausgangsspannung hängt somit direkt von der Speisespannung ab. Eine geeignete ratiometrische Auswertung berücksichtigt dieses Verhältnis und zeigt trotzdem denselben Druckwert an.

Ein gewöhnlicher Spannungseingang reicht für diese Messung nicht immer aus. Die Auswerteelektronik muss zum kleinen Differenzsignal, zur Brückenspeisung, zum Brückenwiderstand und zur Anschlussart des Sensors passen. Bei sechsadrigen Messsystemen können zusätzlich Sense-Leitungen zur Erfassung der tatsächlichen Speisespannung am Sensor vorhanden sein.

Wie erzeugt der interne Shunt-Widerstand das Prüfsignal?

Bei aktivierter Shunt-Funktion wird ein genau festgelegter Widerstand parallel zu einem Widerstand der Messbrücke geschaltet. Dadurch verändert sich dieser Brückenzweig elektrisch. Die daraus entstehende Brückenverstimmung erzeugt eine Ausgangsspannung, die reproduzierbar einem bestimmten Anteil des Vollbereichssignals entspricht.

Die Druckmembran bewegt sich dabei nicht. Auch die druckübertragenden Teile des Sensors werden nicht mechanisch belastet. Das Signal entsteht ausschließlich durch den Eingriff in die elektrische Messbrücke.

Bei einem Sensor mit interner 80-%-Shunt-Kalibrierung wird der Widerstand so dimensioniert, dass am Ausgang nominal 80 % des Vollbereichssignals entstehen. Ist die nachgeschaltete Anzeige korrekt auf den Sensor skaliert, zeigt sie entsprechend 80 % des Druckmessbereichs an.

Wichtig ist, dass der genaue Shunt-Wert immer anhand der konkreten Sensorserie geprüft wird. Nicht jeder Sensor verwendet zwingend 80 %. Auch Fertigungstoleranzen, individuelle Kalibrierdaten oder abweichende Ausgangssignale können zu einem auf dem Typenschild oder Kalibrierdokument angegebenen Sollwert führen.

Warum wird häufig ein 80-%-Signal verwendet?

Ein Prüfpunkt bei 80 % der Messspanne liegt deutlich oberhalb des Nullpunkts und ermöglicht damit einen gut erkennbaren Spannenabgleich. Gleichzeitig bleibt er unterhalb des Vollbereichsendes. Dadurch lassen sich Anzeigen und Verstärker prüfen, ohne den elektrischen Ausgang unmittelbar bis zum maximalen Nennsignal anzusteuern.

Bei einem Sensor mit 0 bis 1.000 bar entspricht das nominale Shunt-Signal einer Anzeige von 800 bar. Bei 0 bis 500 bar wären es 400 bar und bei 0 bis 10.000 psi entsprechend 8.000 psi.

Diese Werte sind jedoch nur skalierte Anzeigen. Sie bedeuten, dass die elektrische Kette das Shunt-Signal so verarbeitet, als würde ein Druck von 80 % des Messbereichs vorliegen. Tatsächlich sollte der Sensor während der Prüfung drucklos sein.

Die Formulierung „80-%-Druck“ ist deshalb technisch ungenau. Korrekt ist die Bezeichnung „elektrisches Kalibriersignal von 80 % des Vollbereichssignals“ oder „druckäquivalente Anzeige von 80 % der Messspanne“.

Warum entspricht das Signal keinem echten Prozessdruck?

Bei echtem Prozessdruck beginnt die Messkette an der vorderen Prozessmembran. Der Druck muss mechanisch aufgenommen, durch den Sensor übertragen und an der DMS-Messzelle in eine Verformung umgesetzt werden. Erst danach entsteht das elektrische Brückensignal.

Beim Shunt-Test wird dieser gesamte mechanische Weg übersprungen. Der Widerstand greift direkt in die elektrische Brücke ein. Deshalb können selbst dann 80 % angezeigt werden, wenn die Prozessmembran beschädigt, die Druckübertragung gestört oder der Sensorkanal verstopft ist.

Prüfart	Wie entsteht das Signal?	Was wird belastet?	Aussage
Shunt-Kalibrierung	Elektrische Verstimmung der DMS-Brücke	Elektrische Messkette	Sensorbrücke und Auswertung reagieren grundsätzlich und sind plausibel skaliert
Echte Druckprüfung	Definierter mechanischer Druck auf die Prozessmembran	Kompletter Sensor einschließlich mechanischer Druckübertragung	Tatsächliche Druckmessung kann mit einer Referenz verglichen werden
Prozessvergleich	Realer Druck während des Anlagenbetriebs	Sensor und Prozessinstallation	Plausibilität unter realen Bedingungen, jedoch nicht automatisch rückführbare Kalibrierung

Das Shunt-Signal ist daher kein Ersatzdruck. Es ist ein elektrischer Ersatzwert, mit dem die Reaktion der Messkette geprüft wird.

Welche Teile der Messkette werden geprüft?

Bei einer korrekt ausgeführten internen Shunt-Prüfung wird ein großer Teil der elektrischen Messkette einbezogen. Dazu gehören die DMS-Brücke, die Brückenspeisung, das Sensorkabel, Steckverbinder, Messverstärker, Anzeige und Skalierung.

Je nach Aufbau kann auch geprüft werden, ob ein nachgeschalteter Regler oder eine SPS den vom Messverstärker ausgegebenen Wert richtig übernimmt. Dafür müssen die weiteren Analogausgänge und Eingänge jedoch ebenfalls korrekt verdrahtet und skaliert sein.

Eine erfolgreiche Shunt-Prüfung kann beispielsweise folgende Aussagen unterstützen:

• Der Sensor erhält grundsätzlich eine Speisespannung.
• Die DMS-Brücke reagiert auf die zugeschaltete Widerstandsänderung.
• Sensorleitung und Steckverbindung übertragen das kleine Brückensignal.
• Der Messverstärker verarbeitet das Signal.
• Der eingestellte Druckbereich passt grundsätzlich zum Sensorsignal.
• Die Anzeige stellt das 80-%-Signal am vorgesehenen Skalenpunkt dar.
• Die elektrische Messkette kehrt nach Abschalten des Shunts zum Nullwert zurück.

Die konkrete Prüftiefe hängt davon ab, wo der Shunt-Widerstand sitzt und wie die Kalibrierkontakte verdrahtet sind. Wird nur ein externer Simulator direkt am Verstärkereingang angeschlossen, werden Sensor und Sensorkabel gerade nicht mitgeprüft.

Was kann die Shunt-Kalibrierung nicht prüfen?

Die Shunt-Kalibrierung prüft keine reale mechanische Druckbelastung. Deshalb bleiben mehrere wichtige Fehlerbereiche unentdeckt.

Nicht zuverlässig bewertet werden:

• Zustand und Elastizität der Prozessmembran,
• mechanische Beschädigungen durch Reinigungswerkzeuge,
• Verschleiß oder Abrasion an der Membran,
• Druckübertragung durch Kapillare oder Füllmedium,
• Undichtigkeiten innerhalb des druckübertragenden Systems,
• Linearität über den gesamten Druckbereich,
• Hysterese bei steigendem und fallendem Druck,
• tatsächliche Empfindlichkeit unter mechanischer Belastung,
• Übertragungsverhalten bei schnellen Druckänderungen,
• Einfluss der Prozess- und Sensortemperatur auf die reale Messung,
• verstopfte oder falsch ausgeführte Einbaubohrungen.

Ein Sensor kann den Shunt-Test bestehen und unter realem Druck trotzdem falsch messen. Umgekehrt kann ein mechanisch intakter Sensor beim Shunt-Test auffällig sein, wenn die Auswerteelektronik falsch skaliert oder die Verkabelung fehlerhaft ist.

Shunt-Prüfung richtig durchführen

Vor Beginn muss sichergestellt werden, dass die Anlage in einem sicheren Zustand ist. Der Sensor sollte für einen aussagekräftigen Shunt-Test drucklos sein. Die Kalibrierkontakte dürfen nicht während eines unbekannten oder hohen Prozessdrucks überbrückt werden, sofern die Betriebsanleitung des konkreten Sensors keinen anderen Ablauf vorsieht.

Ein praxisgerechter Ablauf besteht aus folgenden Schritten:

1. Sensor, Messverstärker und Anzeige gemäß Anschlussplan verbinden.
2. Richtige Speisespannung, Sensorsensitivität, Messbereich und Einheit einstellen.
3. Vorgeschriebene Aufwärm- und Temperaturstabilisierungszeit abwarten.
4. Sicherstellen, dass am Sensor tatsächlich kein Druck anliegt.
5. Nullpunkt der Anzeige kontrollieren und gegebenenfalls nach Herstellervorgabe abgleichen.
6. Shunt-Funktion über die vorgesehenen CAL-Kontakte oder das Auswertegerät aktivieren.
7. Angezeigten Wert mit dem Sollwert des Sensors vergleichen.
8. Falls zulässig, die Spanne der Auswerteelektronik auf den vorgesehenen Shunt-Wert einstellen.
9. Shunt-Funktion deaktivieren.
10. Prüfen, ob die Anzeige wieder stabil zum Nullpunkt zurückkehrt.
11. Nullpunkt und Shunt-Wert gegebenenfalls erneut kontrollieren, da sich Einstellungen beeinflussen können.

Die CAL-Kontakte dürfen nur entsprechend dem Anschlussplan des Sensors verbunden werden. Eine falsche Verbindung mit Speise- oder Signalleitungen kann zu Fehlfunktionen oder Schäden führen. Auch darf nicht irgendein zusätzlicher Widerstand verwendet werden, wenn der Sensor bereits einen internen Kalibrierwiderstand besitzt.

Nullpunkt und Spanne richtig einstellen

Nullpunkt und Spanne sind zwei unterschiedliche Einstellungen. Der Nullpunkt bestimmt, welcher Anzeigewert bei drucklosem Sensor dargestellt wird. Die Spanne bestimmt, wie stark das Sensorsignal über den Messbereich verstärkt und skaliert wird.

Der richtige Ablauf beginnt grundsätzlich mit einem plausiblen Nullpunkt. Erst danach wird das Shunt-Signal aktiviert und die Spanne kontrolliert. Wird die Spanne eingestellt, während bereits ein erheblicher Nullpunktfehler besteht, kann der 80-%-Wert zwar scheinbar stimmen, die gesamte Kennlinie ist jedoch verschoben.

Nach dem Spannenabgleich muss der Shunt wieder ausgeschaltet und der Nullpunkt erneut geprüft werden. Bei analogen Verstärkern können sich Nullpunkt- und Spanneneinstellung gegenseitig geringfügig beeinflussen. Deshalb können mehrere Abgleichschritte erforderlich sein.

Besondere Vorsicht ist bei Potentiometern direkt am Sensor geboten. Nullpunkt- oder Spannensteller dürfen nur nach der Anleitung der jeweiligen Sensorserie verändert werden. Ein unkontrolliertes Verdrehen kann die ursprüngliche Werkskalibrierung verändern und eine spätere Fehleranalyse erschweren.

Bei eingebauten Massedrucksensoren kann sich der Nullpunkt durch Einbauspannung und Temperatur verändern. Der erforderliche Nullabgleich sollte deshalb unter den vom Hersteller vorgesehenen mechanischen und thermischen Bedingungen erfolgen. Ein Nullabgleich darf jedoch keinen tatsächlich vorhandenen Rest- oder Prozessdruck wegkompensieren.

Typische Signalwerte bei 80 % der Messspanne

Das erwartete elektrische Signal hängt von der Ausgangsart des Sensors ab. Bei einem klassischen mV/V-Sensor muss zusätzlich die tatsächliche Brückenspeisung berücksichtigt werden.

Ausgangssignal	Signal bei 0 %	Signal bei 100 %	Nominales 80-%-Shunt-Signal
3,33 mV/V bei 10 V Speisung	nahe 0 mV	33,3 mV	26,64 mV
2 mV/V bei 10 V Speisung	nahe 0 mV	20 mV	16 mV
0–10 V	0 V	10 V	8 V
4–20 mA	4 mA	20 mA	16,8 mA

Beim 4–20-mA-Signal ist ein häufiger Denkfehler zu beachten: 80 % des Messbereichs entsprechen nicht 16 mA. Der nutzbare Messbereich beträgt 16 mA, nämlich von 4 bis 20 mA. Davon werden 80 % berechnet und anschließend zum Nullsignal addiert:

4 mA + 0,8 × 16 mA = 16,8 mA

Die Tabelle zeigt typische rechnerische Werte. Für die tatsächliche Prüfung sind jedoch die Angaben des konkreten Sensors maßgeblich. Je nach Baureihe, individueller Kalibrierung und Ausführung kann der angegebene Sollwert abweichen.

Typische Fehlerbilder richtig interpretieren

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Nullpunkt stimmt, Shunt-Wert ist deutlich zu niedrig	Verstärkung zu klein, falsche Sensorsensitivität, zu geringe Speisung, Leitungs- oder Kontaktproblem	Speisespannung am Sensor, mV-Signal und Verstärkereinstellung prüfen
Nullpunkt stimmt, Shunt-Wert ist zu hoch	Verstärkung zu groß, falscher Messbereich oder falsche Skalierung	Sensordaten und Bereichseinstellung der Anzeige vergleichen
Shunt-Wert stimmt, realer Prozesswert erscheint unplausibel	Mechanischer Sensorfehler, Membranschaden, Einbauproblem, verstopfte Messbohrung oder falscher Prozessvergleich	Echte Druckprüfung und mechanische Installation kontrollieren
Beim Aktivieren des Shunts ändert sich nichts	CAL-Kontakte nicht verbunden, falsche Pinbelegung, Kabelunterbrechung oder fehlende Shunt-Funktion	Anschlussplan und Durchgang der Kalibrierleitung prüfen
Nach Abschalten bleibt ein hoher Wert stehen	CAL-Kontakt weiterhin geschlossen, Kurzschluss, fehlerhafte Auswerteelektronik oder instabiler Sensor	Kalibrierleitung trennen und Rohsignal messen
Shunt-Wert schwankt stark	Instabile Speisung, lose Steckverbindung, EMV-Störung, Kabelproblem oder Verstärkerfehler	Speisung, Schirmung, Steckverbinder und Signal direkt am Eingang prüfen
Anzeige zeigt 800 bar, obwohl Sensor drucklos ist	Normaler Zustand bei aktivem 80-%-Shunt	Shunt deaktivieren und Rückkehr zum Nullpunkt kontrollieren

Für eine gezielte Fehlersuche ist es hilfreich, das Rohsignal direkt zu messen. Bei einem 3,33-mV/V-Sensor mit 10-V-Speisung sollten bei aktiviertem 80-%-Shunt ungefähr 26,64 mV anliegen. Ist dieses Signal korrekt, die Anzeige aber falsch, liegt der Fehler wahrscheinlich in Verstärkung oder Skalierung. Ist bereits das Rohsignal falsch, müssen Sensor, Speisung, Kabel und Shunt-Ansteuerung geprüft werden.

Unterschied zur echten Druckkalibrierung

Bei einer echten Druckkalibrierung wird der Massedrucksensor mit einem definierten Druck beaufschlagt. Dieser Druck wird gleichzeitig mit einem geeigneten Referenzmessgerät erfasst. Sensoranzeige und Referenz werden an mehreren Prüfpunkten miteinander verglichen.

Eine vollständige Prüfung kann beispielsweise Punkte bei 0, 25, 50, 75 und 100 % des Messbereichs umfassen. Steigende und fallende Reihen ermöglichen zusätzlich eine Bewertung der Hysterese. Aus den Abweichungen lässt sich beurteilen, ob Nullpunkt, Spanne, Linearität und Wiederholbarkeit innerhalb der geforderten Grenzen liegen.

Bei Massedrucksensoren ist die mechanische Druckkalibrierung aufgrund der hohen Messbereiche und der speziellen Prozessanschlüsse anspruchsvoll. Die Druckquelle, Referenz, Adapter und das Übertragungsmedium müssen für den Messbereich und den Sensor geeignet sein. Auch eine sichere Druckerzeugung und ein kontrolliertes Entlasten sind erforderlich.

Die Shunt-Kalibrierung beantwortet die Frage: „Verarbeitet die elektrische Messkette das definierte Prüfsignal richtig?“

Die Druckkalibrierung beantwortet dagegen die Frage: „Zeigt der Sensor bei einem tatsächlich bekannten Druck den richtigen Wert an?“

Beide Prüfungen ergänzen sich, ersetzen sich jedoch nicht.

Messverstärker mit einem Simulator getrennt prüfen

Bei der Fehlersuche kann es sinnvoll sein, Sensor und Auswerteelektronik voneinander zu trennen. Ein geeigneter Simulator erzeugt ein definiertes mV- oder mV/V-Signal und wird anstelle des Sensors mit dem Messverstärker oder der Anzeige verbunden.

Mit dem ICS 02S Simulator für Pt100, RTD, TC und mV/V lassen sich definierte Kleinsignale messen und erzeugen. Damit kann geprüft werden, ob ein geeigneter Eingang bei vorgegebenen Signalwerten den richtigen Druckwert anzeigt.

Dabei muss zwischen einer reinen Spannungssimulation und einer vollständigen DMS-Brückensimulation unterschieden werden. Manche Messverstärker erwarten nicht nur eine Differenzspannung, sondern überwachen zusätzlich Brückenwiderstand, Speiseleitungen oder Sense-Anschlüsse. In solchen Fällen muss geprüft werden, ob der verwendete Simulator den erforderlichen Sensoraufbau vollständig nachbilden kann.

Für Massedrucktransmitter mit 4–20-mA-Ausgang eignet sich der UPS4E Stromschleifen-Kalibrator zum Messen und Simulieren des Schleifensignals. Damit lässt sich kontrollieren, ob Anzeige und SPS beispielsweise 4 mA als Messbereichsanfang, 16,8 mA als 80-%-Wert und 20 mA als Messbereichsende richtig verarbeiten. Auch diese elektrische Prüfung ersetzt keine reale Druckbeaufschlagung des Transmitters.

Praxisbeispiel: Extruder zeigt beim Shunt-Test 760 statt 800 bar

An einem Extruder ist ein Massedrucksensor mit einem Messbereich von 0 bis 1.000 bar installiert. Messbereichsanfang, 16,8 mA als 80-%-Wert und 20 mA als Messbereichsende richtig verarbeiten. Auch diese elektrische Prüfung ersetzt keine reale Druckbeaufschlagung des Transmitters.

Praxisbeispiel: Extruder zeigt beim Shunt-Test Die angeschlossene Anzeige steht bei druckloser Anlage auf 0 bar. Nach Aktivierung der internen 80-%-Shunt-Kalibrierung zeigt sie jedoch nur 760 bar an.

Der erste Verdacht fällt auf den Massedrucksensor. Eine direkte Messung des Brückensignals zeigt jedoch, dass der Sensor bei aktiviertem Shunt den vorgesehenen mV-Wert liefert. Sensorbrücke, Shunt-Widerstand und Kabel arbeiten damit grundsätzlich plausibel.

Bei der Kontrolle der Anzeige stellt sich heraus, dass dort eine zu geringe Eingangsempfindlichkeit beziehungsweise ein falscher Verstärkungsfaktor hinterlegt ist. Die Spanne der Anzeige wird nach Herstellervorgabe korrigiert. Anschließend zeigt sie bei aktiviertem Shunt 800 bar und nach dem Abschalten wieder 0 bar an.

Damit ist die elektrische Messkette korrekt abgeglichen. Noch nicht bewiesen ist jedoch, dass der Sensor unter realem Druck über den gesamten Messbereich richtig misst. Da die Anlage zuvor unplausible Prozesswerte gezeigt hatte, wird zusätzlich eine mechanische Druckprüfung veranlasst.

Dieses Beispiel zeigt den eigentlichen Nutzen der Shunt-Funktion: Sie hilft dabei, den Fehlerbereich einzugrenzen. Sie kann unterscheiden, ob die Abweichung eher in Sensorbrücke und Verkabelung, in der Skalierung der Anzeige oder im mechanischen Druckpfad zu suchen ist.

Empfohlener Ablauf bei der Inbetriebnahme

Bei der Inbetriebnahme eines neuen oder ausgetauschten Massedrucksensors sollten mechanische und elektrische Prüfung getrennt betrachtet werden.

1. Sensorserie, Druckbereich, Ausgangssignal und Anschlussbelegung mit der Anlage vergleichen.
2. Einbaubohrung, Gewinde, Einbautiefe und Zustand der Prozessmembran prüfen.
3. Sensor mit dem vorgeschriebenen Anzugsmoment und ohne mechanische Verspannung montieren.
4. Speisespannung und Sensoreingang der Auswerteelektronik kontrollieren.
5. Nullpunkt bei sicher drucklosem Sensor prüfen.
6. Interne Shunt-Funktion aktivieren und Sollwert mit Datenblatt oder Kalibrierunterlagen vergleichen.
7. Shunt deaktivieren und Rückkehr zum Nullpunkt kontrollieren.
8. Anzeige-, Regler- und SPS-Skalierung vergleichen.
9. Wenn erforderlich, eine echte Druckprüfung mit geeigneter Referenz durchführen.
10. Ergebnisse, Einstellungen und Sensordaten dokumentieren.

Besonders nach einem Sensortausch darf nicht davon ausgegangen werden, dass jeder Sensor mit gleichem Gewinde automatisch elektrisch kompatibel ist. Empfindlichkeit, Brückenwiderstand, Speisespannung, Pinbelegung, Shunt-Kontakte und Druckbereich müssen ebenfalls übereinstimmen.

Welche Produkte eignen sich?

Die Kategorie Dynisco Massedrucksensoren umfasst unterschiedliche Sensorserien für Extrusion, Spritzguss, Compoundierung, Rheometer und weitere Anwendungen der Kunststoffverarbeitung. Viele Modelle besitzen eine interne Shunt-Kalibrierung, wobei Ausführung, Ausgangssignal und Sollwert der jeweiligen Serie geprüft werden müssen.

Klassische mV/V-Sensoren eignen sich besonders für Anlagen, in denen bereits ein passender Massedruckregler oder DMS-Messverstärker vorhanden ist. Sie liefern ein kleines Brückensignal und benötigen eine stabile Speisung sowie eine geeignete Verstärkung.

Die Kategorie Simulatoren enthält Geräte zur gezielten Prüfung elektrischer Mess- und Signaleingänge. Der ICS 02S kann definierte mV- beziehungsweise mV/V-Signale erzeugen und damit helfen, Anzeige und Messverstärker unabhängig vom eingebauten Massedrucksensor zu beurteilen.

Für eine echte Druckkalibrierung werden zusätzlich eine geeignete Druckquelle, passende Hochdruckadapter und ein ausreichend genaues Referenzmessgerät benötigt. Der gesamte Prüfaufbau muss für den Druckbereich des Massedrucksensors ausgelegt sein.

Fazit: Das 80-%-Signal prüft die Elektrik, nicht den echten Druck

Die interne Shunt-Kalibrierung ist eine wirkungsvolle Funktion zur Inbetriebnahme und Fehlersuche an Massedrucksensoren. Durch einen definierten Widerstand wird die DMS-Brücke elektrisch verstimmt. Die angeschlossene Anzeige sollte daraufhin einen festgelegten Anteil der Messspanne anzeigen, bei vielen Dynisco-Sensoren nominal 80 %.

Eine Anzeige von 800 bar bei einem 0-bis-1.000-bar-Sensor bedeutet während des Shunt-Tests nicht, dass tatsächlich 800 bar an der Prozessmembran anliegen. Sie zeigt lediglich, dass die elektrische Messkette ein Signal verarbeitet, das dem Ausgangssignal bei 80 % des Messbereichs entspricht.

Mit dem Test lassen sich Sensorbrücke, Speisung, Kabel, Steckverbindung, Verstärker und Skalierung grundsätzlich beurteilen. Mechanische Membranschäden, Probleme der Druckübertragung, Linearität, Hysterese und tatsächliche Druckempfindlichkeit werden dagegen nicht vollständig geprüft.

Für eine belastbare Bewertung sollte die Shunt-Kalibrierung deshalb als ergänzende elektrische Funktionsprüfung verstanden werden. Muss nachgewiesen werden, ob der Sensor den realen Prozessdruck korrekt misst, ist eine Druckkalibrierung mit geeigneter Druckquelle und rückführbarer Referenz erforderlich.

Häufige Fragen zur Shunt-Kalibrierung bei Massedrucksensoren

Was bedeutet eine interne 80-%-Shunt-Kalibrierung?

Ein interner Widerstand verstimmt die DMS-Brücke so, dass ein elektrisches Ausgangssignal von nominal 80 % des Vollbereichssignals entsteht. Eine korrekt skalierte Anzeige stellt daraufhin 80 % des Druckmessbereichs dar.

Liegen beim Shunt-Test tatsächlich 80 % des Nenndrucks an?

Nein. Der Sensor sollte während der Prüfung drucklos sein. Das Signal entsteht elektrisch und nicht durch eine Belastung der Prozessmembran.

Ersetzt der Shunt-Test eine Druckkalibrierung?

Nein. Er prüft vor allem die elektrische Messkette. Für die Beurteilung der tatsächlichen Druckmessung muss der Sensor mit bekannten Druckwerten beaufschlagt und mit einer Referenz verglichen werden.

Welches Signal liefert ein Sensor mit 3,33 mV/V beim 80-%-Test?

Bei 10 V Brückenspeisung beträgt das Vollbereichssignal 33,3 mV. 80 % davon entsprechen nominal 26,64 mV. Bei einer anderen Speisespannung ändert sich der absolute mV-Wert proportional.

Warum zeigt ein 4–20-mA-Transmitter bei 80 % nicht 16 mA an?

Der Messbereich beginnt bei 4 mA. 80 % der 16-mA-Spanne entsprechen 12,8 mA. Zusammen mit dem Nullsignal von 4 mA ergibt sich ein Wert von 16,8 mA.

Was bedeutet es, wenn der Shunt-Wert stimmt, der Prozesswert aber falsch erscheint?

Dann arbeitet die elektrische Messkette grundsätzlich plausibel. Der Fehler kann dennoch an der Prozessmembran, der internen Druckübertragung, der Einbaubohrung, der Temperatur oder am tatsächlichen Prozesszustand liegen.

Darf die Shunt-Funktion während des laufenden Prozesses aktiviert werden?

Der vorgesehene Ablauf hängt von Sensor und Auswerteelektronik ab. Für einen eindeutig interpretierbaren Abgleich sollte die Prüfung grundsätzlich bei sicher bekanntem, vorzugsweise drucklosem Zustand und nach Herstellervorgabe erfolgen.

Kann ein mV-Simulator einen Massedrucksensor vollständig ersetzen?

Nicht immer. Ein einfacher Simulator kann ein definiertes Spannungssignal für den Verstärkereingang erzeugen. Manche Eingänge erwarten jedoch zusätzlich einen bestimmten Bückenwiderstand, Speiseleitungen oder Sense-Anschlüsse. Der Prüfaufbau muss daher zur Auswerteelektronik passen.