Druckmessung an Spritzgiessmaschinen

Druckmessung an Spritzgiessmaschinen

Spritzgiessmaschinen arbeiten mit höchster Präzision. Das Schweizer Unternehmen Netstal-Maschinen AG bietet leistungsstarke und hochpräzise Spritzgiessmaschinen und Systemlösungen für die Getränke-, Verspackungs- und Medizintechnikindustrien an. In den hochwertigen Anlagen sind Drucksensoren aus dem Hause STS verbaut.

 

Mit einer Kunstoffspritzgiessmaschine werden aus Kunstoffen in Granulatform fertige Kunststoffteile produziert. Eine solche Anlage besteht aus grob vereinfacht zwei Komponenten, der Spritzeinheit und der Schliesseinheit. In der Spritzeinheit wird der Rohstoff aufbereitet. Dabei wird dieser in der Regel in einer Schneckenwelle, die sich in einem Hydraulikzylinder befindet, erhitzt und homogenisiert. In der Schliesseinheit befindet sich ein Werkzeug, dass die Negativform des zu fertigenden Kunststoffteils darstellt. Die in der Schnecke aufbereitete Formmasse wird unter Druck in diese Negativform eingespritzt.

Eine Überwachung der nötigen Druckverhältnisse ist für eine Gewährleistung des fehlerfreien Spritzgiessverfahrens unerlässlich. Dafür werden die Sensoren in den Hydraulikkreis der Einspritzachsen montiert. Der spezifische Massedruck kann auf Basis des gemessenen Kammerdrücke während des Einspritzvorgangs berechnet werden. Dabei ist es besonders wichtig, dass die Messabweichung der Sensoren sehr klein ist, da ansonsten der Kunststoffdruck zu niedrig oder zu hoch berechnet wird.

Ist der Massedruck zu hoch oder zu niedrig,

  • beeinflusst dies die eingespritzte Füllmenge,
  • kann das fertige Kunststoffteil fehlerhaft sein,
  • kann es zu Materialverlust oder Werkzeugschäden kommen,
  • kann es zum Stillstand der Anlage kommen.

Hochpräzise Anlagen wie die Spritzgiessanlagen der Firma Netstal-Maschinen AG verlangen nach Drucktransmitter, die über den geforderten Messbereich absolut zuverlässige Ergebnisse liefern. Um die beste Lösung für die hohen Ansprüche zu finden, wurden ausgiebige Tests mit Instrumenten verschiedener Hersteller durchgeführt. Es sollte dabei nicht nur die Genauigkeit der Messinstrumente, sondern auch deren Langzeitstabilität unter hohen Temperaturen geprüft werden. Am Prüfstand wurden die folgenden Messintervalle durchgeführt:

Abbildung 1: Standardisiertes Prüfverfahren zur Evaluation eines geeigneten Drucktransmitter. Nach vier, sechs und acht Millionen Druckzyklen wurden die Drucksensoren jeweils einer Temperaturbelastung (Aging – künstliche Alterung) ausgesetzt.

Der Hochpräzisions-Drucksensor ATM.1ST von STS erreichte bei diesen Herz-und-Nieren-Tests die Bestnote in den Aspekten Toleranz, Langzeitstabilität, Präzision und Genauigkeit über den gesamten Druck- und Temperaturbereich. Besonders ausschlaggebend war dabei vor allem, dass der Drucksensor den hohen Temperaturen auch über lange Zeit die kalte Schulter zeigt und sich im Niedrigdruckbereich durch eine sehr hohe Genauigkeit auszeichnet.

Abbildung 2: Auswertung eines STS Drucktransmitter über Zeit und Temperatur. OZ (Original Zustand – in Rot, strich punktiert) wurde als Ausgangslage verwendet, die ausgezogenen Linien nach jeweils einem festen Intervall, die gestrichelten Linien unter Einbezug des Alterungsprozesses gemäss dem Prüfverfahren aus Abbildung 1.  Der Wert Toleranzfeld Aufnehmer bezieht sich auf die Herstellerspezifikation (Datenblatt), die festausgezogenen Linien Toleranzfeld NM waren die Zielvorgaben der Evaluierung.  

Ein weiterer Vorteil des ATM.1ST ist, dass er sich aufgrund des modularen Aufbaus ohne Aufwand an individuelle Anwendungen anpassen lässt. Die Daten im Überblick:

  • Druckmessbereich: 100 mbar … 1000 bar
  • Relativ- und Absolutmessbereiche
  • Kennlinie: ≤ ± 0.10 / 0.05 % FS
  • Betriebstemperatur: -40 … 125°C
  • Gesamtfehler: ≤ ± 0.30 %FS (0 … 70°C)
  • Materialien: Edelstahl, Titan
Dehnungsmessstreifen (DMS) in der Druckmesstechnik

Dehnungsmessstreifen (DMS) in der Druckmesstechnik

Bei Dehnungsmessstreifen (DMS) handelt es sich um Messeinrichtungen, die durch mechanische Verformungen ihren elektrischen Widerstand ändern. Genutzt werden sie in einer Vielzahl von Messinstrumenten, neben Waagen und Kraftaufnehmern gehören auch Druckaufnehmer dazu.

Druckmessgeräte verwenden verschiedene physikalische Grössen, darunter Induktivität, Kapazität oder Piezoelektrizität. Die häufigste physikalische Grösse, mit der Druckmessumformer arbeiten, ist jedoch der elektrische Widerstand, der an sich verformenden metallischen oder den piezoresistiven Effekt nutzenden Halbleiter-Dehnungsmessstreifen zu beobachten ist. Hier wird der Druck über eine mechanische Vorformung ermittelt. Die Dehnungsmessstreifen werden auf einem elastischen Träger aufgebracht. Es ist dabei wichtig, dass die Dehnungsmessstreifen den Bewegungen des Trägers folgen können. Wirkt ein Druck auf den Träger, kommt es durch die ausgelöste Verformung zu einer Querschnittsänderung der Leiterbahnen. Dies bewirkt wiederum eine Änderung des elektrischen Widerstandes. Es ist letztlich diese Änderung des elektrischen Widerstandes, die ein Druckmessumformer erfasst und über die der Druck ermittelt wird.

Abbildung 1: Dehnungsmesstreifen verformen sich unter Druck

Es wird also durch die auf den Leiter wirkende Verformung dessen Länge l geändert (Δl). Da das Volumen gleich bleibt, ändert sich der Querschnitt und damit der Ohmsche Widerstand R:

ΔR/R = k Δl/l

Die Widerstandsänderung ΔR verhält sich proportional zur Längenänderung ^l. Der Proportionalitätsfaktor k ist von der Geometrie und den Materialeigenschaften abhängig. Während k bei metallischen Leitern 2 ist, kann er bei Halbleitern sehr hoch sein. Durch die relativ hohen k-Faktoren von Halbleitern sind diese empfindlicher und können daher bereits kleinste Druckänderungen messen. Allerdings ist die Temperaturabhängigkeit dadurch ebenfalls höher.

Die Widerstandsänderung bei metallischen DMS ergibt sich aus den Veränderungen der Abmessungen (Geometrie). Bei den Halbleiter-DMS ist die Änderung auf Veränderungen der Kristallstruktur zurückzuführen (piezoresistiver Effekt).

Die Auswertung der durch eine druckbedingte Verformung ausgelöste Widerstandsänderung erfolgt über eine Brückenschaltung. Zu diesem Zwecke werden die DMS zu einer Wheatstonschen Messbrücke verschalten (Abbildung 2). Zwei der DMS werden in radialer, zwei in tangentialer Richtung gelegt. Somit werden bei einer Verformung zwei gedehnt und zwei gestaucht. Damit Temperatureffekte kompensiert werden können und ein möglichst lineares Signal erzeugt wird, ist es wichtig, dass die DMS die gleichen Widerstände haben und mit einer exakten Geometrie angeordnet werden.

Abbildung 2: Brückenschaltung

Metallische DMS

Bei metallischen DMS wird zwischen Folien-DMS und Dünnfilm-DMS unterschieden.

Folien-DMS bestehen aus gewalzter, nur wenige Mikrometer dicken Folie. Üblicherweise wird Konstantan als Werkstoff verwendet, aber auch Karma und Modco werden eingesetzt, besonders wenn ein grösserer Temperaturbereich nötig ist oder die Temperaturen unter -150 °C liegen. Konstantan hat einen sehr geringen k-Faktor von 2,05 und ist somit nicht sehr empfindlich. Dafür zeigt der Werkstoff eine geringe Temperaturabhängigkeit, weshalb er auch am häufigsten für Folien-DMS genutzt wird.

Folien-DMS werden eher in Kraftaufnehmern eingesetzt. Für die Druckaufnehmer sind sie oftmals nicht empfindlich genug. So sind Werte von weniger als 1 bar nicht mit ihnen zu erfassen. Auch ist der Temperaturbereich vergleichsweise eingeschränkt, sodass je nach Ausführung bereits Temperaturen von 80 °C nicht überschritten werden sollten.

Dünnfilm-DMS werden mit der sogenannten Dünnschichttechnik hergestellt, beispielsweise Aufdampfen oder Aufsputtern. Der Fertigungsvorgang ist also etwas aufwendiger und damit auch kostspieliger als bei Folien-DMS. Dafür ist ein Temperaturbereich von 170 °C möglich. Auch die Langzeitstabilität ist sehr hoch.

Metallische Dünnfilm-DMS ermöglichen langzeitstabile, jedoch auch zum Teil recht teure Messgeräte. Dabei gilt: Je geringer die zu erfassenden Drücke, desto höher der Fertigungspreis. Geringe Drücke von weniger als 6 bar werden mit einer schlechten Genauigkeit erfasst.

Halbleiter-DMS

Halbleiter-DMS arbeiten mit dem piezoresistiven Effekt. Als Werkstoff dient in den meisten Fällen Silizium. Halbleiter-DMS sind tendenziell empfindlicher als metallische DMS. Auch werden sie üblicherweise durch eine Trennmembran von dem Medium getrennt. Der Druck wird dann über eine Übertragungsflüssigkeit weitergegeben.

Abbildung 3: Piezoresitive Messeinheit

Bei Halbleitermaterialien ist der piezoresistive Effekt etwa 50-fach stärker ausgeprägt als bei metallischen DMS. Entweder werden die Halbleiter-DMS auf einen Träger geklebt oder direkt aufgesputtert. Letzteres ermöglicht eine intensive Verbindung und ermöglicht Hysteresefreiheit sowie Alterungs- und Temperaturbeständigkeit. Obwohl der piezoresistive Effekt nicht allein den Halbleiter-DMS vorbehalten ist, hat sich die Bezeichnung „piezoresistiver Druckaufnehmer“ für solche Messinstrumente eingebürgert, bei denen die elastische, sich unter Druck deformierende Struktur und die Widerstände in einem Chip integriert sind. Piezoresistive Druckaufnehmer können klein und (abgesehen von der Membrane) ohne bewegliche Teile gebaut werden. Die Herstellung beruht auf den normalen Halbleiterfabrikationsmethoden. Gleichzeitig ergibt sich die Möglichkeit, Widerstände und die elastische, sich unter Druck deformierende Membrane in einem Chip zu integrieren und damit eine Druckmesszelle in Chipgrösse herzustellen.

 

Piezo-Dünnfilm-DMS werden auf einem Siliziumträger aufgebracht und durch eine isolierende Schicht vom Träger getrennt. Das erhöht den Fertigungsaufwand und damit auch den Preis. Dafür sind Temperaturbereiche von -30 °C bis 200 ° C möglich. Dank des sehr elastischen Verhaltens von Silizium ist nur mit einer geringen Hysterese zu rechnen. Der hohe k-Faktor bewirkt eine hohe Empfindlichkeit. Somit sind piezoresistive Druckmessumformer bei kleinsten Druckbereichen im mbar Bereich die erste Wahl. Darüber hinaus können Geräte mit sehr geringen Abmessungen produziert werden, was sich positiv auf die Einsatzmöglichkeiten auswirkt. Die Langzeitstabilität ist wie auch die EMV-Verträglichkeit gut. Letztere ist natürlich vom Trägermaterial abhängig. Dafür erfordert die Temperaturkompensation etwas mehr Aufwand. Doch auch diese Herausforderung lässt sich gut in den Griff bekommen. Mehr zur Temperaturkompensation lesen Sie hier.

Dickfilm-DMS werden auf keramische oder metallische Membranen gedruckt. Mit einer Dicke von 20 Mikrometern sind sie bis zu 1000-fach dicker als Dünnfilm-DMS. Aufgrund des geringen Fertigungsaufwand sind sie günstiger im Preis, durch die Alterung der Dickschicht jedoch auch nicht sehr langzeitstabil.

Fazit: Die Art der verwendeten DMS hat einen grossen Einfluss auf das Messinstrument. Faktoren wie Preis, Genauigkeit und Langzeitstabilität spielen eine wichtige Rolle bei der Wahl des passenden Druckmessumformers. Am leistungsfähigsten haben sich unserer Erfahrung nach Druckmessumformer mit Piezo-Dünnfilm-DMS gezeigt, da sie dank ihrer Empfindlichkeit weite Druckbereiche mit hoher Präzision erfassen können und eine gute Langzeitstabilität aufweisen.

Verschmutzung als Ursache für Drift bei Drucksensoren

Verschmutzung als Ursache für Drift bei Drucksensoren

Man kennt das Sprichwort: Wo gehobelt wird, fallen Späne. In der Entwicklung neuer Verbrennungsmotoren bedeutet das konkret: Russpartikel oder Ölablagerungen können die eingesetzte Sensorik verschmutzen.

Die Folge solcher Verschmutzungen sind zunehmend ungenaue Messergebnisse. Wird beispielsweise das Abgassystem eines neuen Verbrennungsmotors mit Druckmessumformern überwacht, so wird sich im Laufe der Zeit mehr und mehr Feinstaub auf der Membran des Sensors absetzen. Die Membranen piezoresistiver Drucksensoren sind sehr dünn, damit sie hochpräzise Messergebnisse liefern. Bildet sich mit der Zeit aber eine Russschicht auf ihr, verringert dies die Empfindlichkeit des Druckmessumformers.

Druckmessumformer vor Feinstaub schützen

Anwender merken diese Drift des Sensors, indem sie Referenzdruckmessungen durchführen. Sie werden erhebliche Differenzen zwischen den Werten dieses Referenzdruckmessers und dem verschmutzten Sensor feststellen. Oftmals geben aber schon die Erfahrungswerte der Anwender Aufschluss, wenn die Messsignale zu stark von den zu erwartenden Ergebnissen abweichen. Auch starke Schwankungen in den Messwerten können ein Indikator für Verschmutzung sein.

Generell empfiehlt STS Anwendern, bei denen der Sensor mit Schmutz in Kontakt kommt, diesen nach maximal 100 Betriebsstunden zu warten. Darüber hinaus kann man auch versuchen, den Sensor so gut wie möglich vor Verschmutzung zu schützen. Dazu gibt es zwei gängige Methoden.

Methode 1: Schutzfolie

Die erste Methode ersetzt nicht die Wartung des Sensors nach maximal 100 Stunden, erleichtert aber die Reinigung und schont die Membran. Hier wird einfach eine metallische, sehr dünne Schutzfolie auf die Membran aufgebracht, um diese vor Verunreinigungen zu bewahren. Nach maximal 100 Betriebsstunden wird diese Folie einfach abgezogen und durch eine neue ersetzt.

Methode 2: Kühladapter

Mit dieser Methode können Anwender zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen. Indem dem Druckanschluss ein Kühladapter bzw. ein klimatisches Ventil vorgeschraubt wird, wird die Membrane weitestgehend vor Verschmutzung geschützt. Das klimatische Ventil öffnet sich nur, wenn es tatsächlich etwas zu messen gibt. Wenn also keine permanente Drucküberwachung gefordert ist, kann dies eine gute Methode sein, um den Verschmutzungsgrad des eingesetzten Sensors minimal zu halten.

Zur gleichen Zeit lässt sich über dieses Kühlelement auch eine konstante Sensortemperatur sicherstellen. Neben Membranverschmutzung hat schliesslich auch die Temperatur einen Effekt auf die Messgenauigkeit piezoresistiver Druckmessumformer (Mehr zum Einfluss von Temperatur auf die Genauigkeit von Drucksensoren lesen Sie hier).

Reinigung von Drucksensoren bei Ölverschmutzungen

Bei der Entwicklung von Schiffsmotoren kommt es zu Verunreinigungen durch Schweröl. Besonders eingesetzte Additive setzen sich dabei auf der Membran ab und können diese gar beschädigen. Diese Ablagerungen verringern die Sensibilität des Druckmessumformers. Daher muss auch hier regelmässig gewartet werden.

Um die Verschmutzungen und die Folgen davon möglichst gering zu halten, sollte schon bei der Wahl eines Drucksensors auf dessen Beschaffenheit geachtet werden. Empfohlen wird eine Edelstahlmembran, die frontbündig ist und keine Kanäle, in denen sich kleinste Ablagerungen bilden können, aufweist. Auch gilt: je glatter, desto besser. Denn auf einer rauen Membran lagern sich schneller unerwünschte Partikel ab. Sie ist auch schwerer zu reinigen.

Um einen verschmutzten Drucksensor zu reinigen, entfernt man diesen aus der Anwendung. Als Reinigungsmittel empfiehlt sich Isopropanol (IPA). Während das Sensorgehäuse keine besondere Vorsicht erfordert, sollte die Membran ohne starken Druck behandelt werden, beispielsweise mithilfe von Wattestäbchen. Auf keinen Fall sollte mit Druckluft gearbeitet werden. Die Membranen sind sehr dünn, wird zu viel Druck ausgeübt, kommt es zu Verformungen.

Genauigkeitsangaben bei Drucksensoren richtig deuten

Genauigkeitsangaben bei Drucksensoren richtig deuten

Bei der Suche nach dem passenden Drucktransmitter oder Druckmessumformer spielen verschiedene Faktoren eine Rolle. Während manche Anwendungen einen besonders hohen Druckmessbereich oder eine hohe Temperaturbeständigkeit erfordern, ist bei anderen die Genauigkeit ausschlaggebend. Genauigkeit ist aber in keiner Norm definiert. Wir verschaffen Ihnen einen Überblick über die verschiedenen Angaben.

Zwar ist „Genauigkeit“ keine definierte Norm, dennoch lässt sie sich anhand genauigkeitsrelevanter Angaben überprüfen, da diese normübergreifend definiert sind. Wie diese genauigkeitsrelevanten Angaben in den Datenblättern unterschiedlicher Hersteller spezifiziert sind, ist allerdings deren Sache. Das erschwert den Vergleich zwischen verschiedenen Herstellern für Anwender. Es kommt also darauf an, wie die Genauigkeit in den Datenblättern angegeben wird und diese richtig zu deuten. Denn 0,5 % Fehler können letztlich genauso genau wie 0,1 % sein – alles eine Frage der zur Ermittlung der Genauigkeit herangezogenen Methode.

Genauigkeitsangaben von Drucktransmittern: Ein Überblick

Die am meisten verwendete Genauigkeitsangabe in der Druckmesstechnik ist die Nichtlinearität. Diese beschreibt die grösstmögliche Abweichung der Kennlinie von einer Referenzgeraden. Um letztere zu ermitteln, gibt es drei Methoden: die Grenzpunkteinstellung, die Kleinstwerteinstellung (BFSL) und die Anfangspunkteinstellung. Sie alle führen zu unterschiedlichen Ergebnissen.

Die am leichtesten nachvollziehbare Methode ist die Grenzpunkteinstellung. Hier geht die Referenzgerade durch Kennlinienanfang und -ende. Die Kleinstwerteinstellung ist hingegen die Methode, welche die kleinsten Fehlerwerte ergibt. Dabei wird die Referenzgerade so gelegt, dass die maximale positive und negative Abweichung gleich gross ist.

Die Anfangspunkteinstellung ist was die Ergebnisse betrifft zwischen den anderen beiden Methoden einzuordnen. Nach welcher dieser Methoden die Hersteller verfahren, muss meistens direkt angefragt werden, da diese Information häufig nicht in den Datenblättern vermerkt ist. Bei STS wird in der Regel die Angabe Kennlinie nach Anfangspunkteinstellung verwendet.

Die drei Methoden im Vergleich:

Die Messabweichung ist die für Anwender wohl am einfachsten nachzuvollziehende Angabe zur Genauigkeit eines Sensors, da sie direkt aus der Kennlinie abzulesen ist und die relevanten Fehler-Faktoren bei Raumtemperatur beinhaltet (Nichtlinearität, Hysterese, Wiederholbarkeit etc.). Mit der Messabweichung wird die grösste Abweichung der tatsächlichen Kennlinie von der idealen Kennlinie beschrieben. Da die Messabweichung einen grösseren Wert ergibt als die Nichtlinearität, wird sie von Herstellen nicht so häufig in Datenblättern angegeben.

Eine weitere verwendete Genauigkeitsangabe ist die typische Genauigkeit. Da individuelle Messgeräte nicht identisch miteinander sind, geben Hersteller einen maximalen Wert an, der nicht überschritten wird. Die darunter liegende „typische Genauigkeit“ wird also nicht von allen Geräten geleistet. Es ist aber davon auszugehen, dass die Verteilung dieser Geräte dem 1-Sigma- Wert nach der Gauss’schen Normalverteilung entspricht (also rund zwei Drittel). Das bedeutet auch, dass ein Teil der Sensoren genauer ist, als angegeben und ein weiterer Teil ungenauer (ein bestimmter Maximalwert wird aber nicht überschritten).

So paradox es klingen mag: Genauigkeitsangaben können unterschiedlich genau sein. In der Praxis bedeutet das, dass ein Drucksensor mit 0,5 % Fehler nach maximaler Nichtlinearität nach Grenzpunkteinstellung genauso genau ist, wie ein Sensor mit 0,1 % Fehler nach typischer Nichtlinearität nach Kleinstwerteinstellung.

Temperaturfehler

Die Genauigkeitsangaben Nichtlinearität, typische Genauigkeit und Messabweichung beziehen sich auf das Verhalten des Drucksensors bei Referenztemperatur, welche in der Regel 25°C beträgt. Es gibt natürlich auch Anwendungen, bei denen sehr tiefe oder sehr hohe Temperaturen auftreten können. Da die Temperaturbedingungen die Genauigkeit des Sensors beeinflussen, muss zusätzlich der Temperaturfehler mit eingerechnet werden. Mehr zum Temperaturverhalten piezoresistiver Drucksensoren erfahren Sie hier.

 

Genauigkeit über die Zeit: Langzeitstabilität

Die Angaben zur Genauigkeit in den Produktdatenblättern geben Auskunft über das Instrument zum Ende des Produktionsprozesses. Ab diesem Moment kann sich die Genauigkeit des Geräts verändern. Das ist absolut normal. Die im Laufe der Lebensdauer des Sensors auftretende Veränderung wird in der Regel als Langzeitstabilität aufgeführt. Auch hier beziehen sich die Angaben auf Labor- oder Referenzbedingungen. Das bedeutet, dass sich auch in aufwendigen Tests unter Laborbedingungen die angegebene Langzeitstabilität nicht zwingend für die realen Einsatzbedingungen genau beziffern lässt. Zu beachten sind schliesslich eine Vielzahl Faktoren: Temperaturbedingungen, Vibrationen oder die auszuhaltenden Drücke selbst beeinflussen die Genauigkeit über die Produktlebensdauer.

Daher empfehlen wir, die Drucksensoren einmal im Jahr auf die Einhaltung ihrer Spezifikationen zu überprüfen. Es gilt, die Veränderung des Geräts hinsichtlich der Genauigkeit zu untersuchen. Dafür reicht es normalerweise aus, den Nullpunkt im drucklosen Zustand auf Veränderungen zu überprüfen. Fallen diese grösser aus, als vom Hersteller angegeben, ist das Gerät wahrscheinlich defekt.

Die Genauigkeit eines Drucksensors kann von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden. Darum ist es unbedingt ratsam, sich vorab umfassend vom Hersteller beraten zu lassen: In welchen Bedingungen wird der Drucktransmitter angewendet? Welche möglichen Fehlerquellen können auftreten? Wie lässt sich das Instrument am besten in die Anwendung integrieren? Wie wurde die im Datenblatt angegebene Genauigkeit ermittelt? So lässt sich schliesslich sicherstellen, dass Sie als Anwender den Drucktransmitter erhalten, der Ihren Ansprüchen hinsichtlich Genauigkeit optimal entspricht.

Kennlinie, Hysterese, Messfehler: Begriffe der Druckmesstechnik

Kennlinie, Hysterese, Messfehler: Begriffe der Druckmesstechnik

Erste Informationsquelle für Anwender von Druckmesstechnik sind oft die von den Herstellern bereitgestellten Datenblätter. Von grossem Interesse sind dabei in der Regel die Genauigkeitsangaben. In diesem Zusammenhang tauchen eine Vielzahl Begriffe auf, deren Kenntnis bei der Einschätzung des jeweiligen Messinstruments von grosser Bedeutung ist.

Zum Thema Genauigkeit lässt sich grundlegend sagen, dass der Begriff keiner definierten Norm unterliegt. Anders ist dies bei den Begriffen, die im Zusammenhang mit Genauigkeitsangaben vorkommen, darunter Kennlinie, Hysterese, Nichtlineartität, Nichtwiederholbarkeit und Messfehler. Im Folgenden wollen wir diese Begriffe kurz erläutern.

Kennlinie

Die Kennlinie bezeichnet die Abhängigkeit des Ausgangssignals (Messwert) vom Eingangssignal (Druck). Im Idealfall ist die Kennlinie eine Gerade.

Nichtlinearität

Als Nichtlinearität wird die grösste Abweichung (positiv oder negativ) der Kennlinie von einer Referenzgeraden beschrieben. Die Referenzgerade kann mittels drei verschiedener Methoden bestimmt werden: Grenzpunkteinstellung, die Kleinstwerteinstellung (BFSL) und die Anfangspunkteinstellung. Jede dieser Methoden führt zu anderen Ergebnissen. Die Grenzpunkteinstellung ist die in Europa am häufigsten verwendete Methode. Dabei verläuft die Referenzgerade durch Anfangs- und Endpunkt der Kennlinie.

Messfehler

Der Messfehler oder auch die Messabweichung beschreibt die Abweichung des angezeigten Wertes vom „richtigen“ Wert. Dieser „richtige“ Wert ist ein Idealwert, den man in der Praxis nur mit einem hochgenauen Messgerät bei Referenzbedingungen, beispielsweise einem Primärnormal wie es zur Kalibrierung eingesetzt wird, ermitteln kann. Die Messabweichung wird als absoluter oder relativer Fehler angegeben. Der absolute Fehler hat dieselbe Einheit wie die Messgrösse. Der relative Fehler bezieht sich auf den richtigen Wert und ist einheitsfrei.

Nullpunkt- und Spanne-Fehler

Bei der Sensor-Produktion kommt es zu Abweichungen zum Referenzgerät (Normal). Messabweichungen am Messbereichsanfang und -ende werden als Nullpunkt- und Spannefehler bezeichnet. Letzterer bezieht sich auf die Differenz aus beiden Werten. Der Nullpunktfehler ist die Differenz zwischen dem idealen Nullpunkt der Soll-Kennlinie und dem tatsächlichen Ausgangswert der Ist-Kennlinie.

Der Nullpunktfehler kann vom Anwender einfach im drucklosen Zustand abgelesen werden. Um ihn zu eliminieren muss er diesen als Offset in die Auswerteeinheit eingeben. Das Eliminieren des Spannefehlers gestaltet sich etwas schwieriger, da hierfür der Druck am Messbereichsende exakt angefahren werden muss.

Hysterese

Der angezeigte Messwert hängt nicht nur von der Eingangsgrösse ab (hier: Druck), sondern auch von den Werten, die von der Eingangsgrösse zuvor gemessen wurden.

Wenn also die Kennlinie des Messgeräts bei kontinuierlich zunehmendem Druck aufgenommen und dann mit der Kennlinie bei kontinuierlich abnehmendem Druck verglichen wird, fällt auf, dass die Ausgangssignale trotz identischer Drücke nicht exakt gleich sind. Die maximale Abweichung zwischen beiden Kennlinien bezeichnet man als Hysterese. Sie wird in Prozent der Gesamtskala angegeben (% FS).

Nichtwiederholbarkeit

Auch wenn unter identischen Bedingungen gemessen wird unterliegen elektronische Drucktransmitter stochastischen Einflüssen, wegen derer das Ausgangssignal für gleiche Druckwerte bei aufeinanderfolgenden Messungen nicht identisch ist. Mit Nichtwiederholbarkeit wird daher die grösste Abweichung aus drei nacheinander in gleicher Richtung erfolgten Messungen angegeben. Ein zuverlässiges Druckmessinstrument erkennen Anwender an einer möglichst geringen Nichtwiederholbarkeit.

Wie die Hysterese kann die Nichtwiederholbarkeit nicht kompensiert werden.

 

Temperaturfehler

Temperaturänderungen beeinflussen die Eigenschaften des Drucksensors unmittelbar. Der elektrische Widerstand von Halbleitern, wie sie bei piezoresistiven Druckmessumformern genutzt werden, nimmt beispielsweise mit steigender Temperatur ab. Hersteller optimieren ihre Produkte daher hinsichtlich eines ausgeglichenen Temperaturverhaltens. Temperaturbedingte Fehler werden entweder direkt auf dem Sensor oder elektronisch kompensiert. Manche Geräte verfügen auch über einen Temperatursensor, der auftretende temperaturbedingte Fehler direkt kompensiert. Dennoch lassen sich solche Fehler nur minimieren und nicht völlig eliminieren. Dieser Rest-Temperaturfehler wird von manchen Herstellern als Temperaturkoeffizient angegeben.

Überlastdruck

Die angegebenen Fehlergrenzen werden im Überlastbereich überschritten. Der Druckmessumformer erleidet aber noch keine bleibenden Schäden.

Berstdruck

Der Berstdruck gibt den Druck an, bei dem es zu Verformungen des Druckmessumformers kommt und er mechanisch beschädigt wird.

Langzeitstabilität

Äussere Einflüsse wirken auf das Messinstrument. Darum bleibt die Kennlinie nicht über Jahre hinweg konstant. Die Langzeitstabilität (auch Langzeitdrift) wird von den Herstellern unter Laborbedingungen ermittelt und in den Datenblättern in Prozent von der Gesamtskala pro Jahr angegeben.

Die realen Einsatzbedingungen des Gerätes können sich signifikant von den Testbedingungen unterscheiden. Auch können die Testabläufe unter den Herstellern stark variieren, was die Vergleichbarkeit der Angaben erschwert. Generell empfiehlt es sich, den Druckumformer in regelmässigen Abständen zu kalibrieren und gegebenenfalls zu justieren.

Genauigkeit: Die Kennlinienabweichung

Wie eingangs erwähnt, ist „Genauigkeit“ keine feste Grösse. Ein anderer Begriff, der gelegentlich für Genauigkeit benutzt wird, ist die Kennlinienabweichung. Diese beschreibt den maximalen Gesamtfehler nach IEC 770 und besteht aus der Linearitätsabweichung, der Hysterese sowie der Nichtwiederholbarkeit. Es handelt sich demnach um die Abweichung des Messbereichsendwertes von der idealen Kennlinie in Prozent.

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