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Hysterese Archives - STS Deutschland
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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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Gesamtfehler oder Genauigkeit?

Gesamtfehler oder Genauigkeit?

Dem Thema Genauigkeit gilt Anwendern oftmals das Hauptaugenmerk beim Kauf eines Drucksensors. Damit ist eine Vielzahl genauigkeitsrelevanter Begriffe verbunden, die wir an anderer Stelle bereits erläutert haben. Genauigkeit ist jedoch nur ein Teilaspekt eines weiteren Begriffs, der in Datenblättern zu Druckmessumformern auftaucht: Gesamtfehler. Im Folgenden klären wir auf, wie diese Angabe in Datenblättern zu verstehen ist und welche Rolle sie bei der Wahl des passenden Drucksensors spielen sollte.

Zuerst lässt sich festhalten, dass die Genauigkeit nicht Auskunft über den Gesamtfehler gibt. Dies hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise unter welchen Bedingungen der Drucksensor eingesetzt wird. In Abbildung 1 ist zu sehen, aus welchen drei Aspekten der Gesamtfehler besteht: Justierbare Fehler, Genauigkeit und thermische Effekte.

It can be firstly stated that accuracy does not provide information about the total error. This depends on various factors, such as under which conditions the pressure sensor is actually used. We can see in Figure 1 the three aspects of which total error consists: Adjustable errors, accuracy and thermal effects.

Abbildung 1: Entstehung Gesamtfehler

Justierbare Fehler

Wie aus der obigen Abbildung abzulesen ist, setzt sich der Teilaspekt justierbarer Fehler aus Nullpunkt- und Spannefehler zusammen. Die Bezeichnung justierbarer Fehler ergibt sich daraus, dass Nullpunkt- und Spannefehler jeweils leicht zu erkennen und zu justieren sind. Es sind also Fehler, mit denen Anwender nicht leben müssen. Beide Fehler sind bei Drucksensoren aus dem Hause STS bereits werkseitig korrigiert.

Die Langzeitstabilität, auch Langzeitfehler oder Langzeitdrift genannt, ist Ursache für Nullpunkt- und Spannefehler im Betrieb. Das bedeutet, dass diese beiden justierbaren Fehler nach längerer Benutzung des Sensors erneut auftreten bzw. sich „verschlimmern“ können. Mittels einer Kalibrierung und anschliessender Justierung kann der Langzeitdrift folglich wieder korrigiert werden. Mehr zum Thema Kalibrierung und Justierung lesen Sie hier.

Genauigkeit

Der Teilaspekt Genauigkeit taucht in Datenblättern auch unter der Bezeichnung Kennlinienabweichung auf. Die begriffliche Unschärfe ist auch dem Umstand geschuldet, dass “Genauigkeit” keiner gesetzlich definierten Norm unterliegt.

Der Begriff umfasst die Fehler Nichtlinearität, Hysterese (Druck) und Nichtwiederholbarkeit (siehe Abbildung 2). Nichtwiederholbarkeit beschreibt die zu beobachtenden Abweichungen bei mehrmaligen Anfahren eines Druckes. Hysterese bezieht sich darauf, dass sich die Ausgangssignale des exakt selben Drucks unterscheiden können, wenn dieser von “oben” und von “unten” angefahren wird. Beide Faktoren sind bei piezoresistiven Druckmessumformern nur sehr gering ausgeprägt. 

Den grössten Einfluss auf die Genauigkeit und somit auch auf den Gesamtfehler hat daher die Nichtlinearität. Gemeint ist damit die grösste positive oder negative Abweichung der Kennlinie von einer Referenzgeraden bei steigendem und fallendem Druck. Mehr zu diesen Begriffen erfahren Sie an dieser Stelle.

Abbildung 2: Die grösste Differenz innerhalb der Kennlinie bei mehrmaligem Anfahren des zu messenden Drucks bezeichnet man als Nichtlinearität.

Thermische Effekte

Temperaturschwankungen haben Einfluss auf die Messwerte eines Drucksensors. Auch gibt es eine Temperatur-Hysterese. Hysterese im allgemeinen Beschreibt die Abweichung eines Systems, wenn derselbe Messpunkt aus unterschiedlichen Richtungen angefahren wird. Bei der Temperaturhysterese beschreibt die Hysterese den Unterschied (Fehler) des Ausgangssignals bei einer bestimmten Temperatur, wenn von einer tieferen oder von einer höheren Temperatur her die bestimmte Temperatur angefahren wird. Bei STS ist dies typisch bei 25 °C.

Mehr zum Thema Temperaturverhalten piezoresistiver Druckaufnehmer erfahren Sie hier.

Abbildung 3: Typisches Verhalten Thermische Effekte bei Drucktransmittern. 

Gesamtfehler oder Genauigkeit?

Die wichtige Frage, die sich aus diesen verschiedenen Aspekten ergibt, ist natürlich jene, worauf Anwender bei der Sensorwahl am meisten achten sollten. Dies ist von Fall zu Fall verschieden. Da der Aspekt justierbarer Fehler werkseitig bereits korrigiert ist, spielt er nur eine untergeordnete Rolle. Hier gilt lediglich, dass der Sensor in der Regel nach einem Jahr Anwendung neu kalibriert und justiert werden sollte.

Beim Kauf eines neuen Sensors sind somit die beiden Aspekte Genauigkeit und thermische Effekte entscheidend. Die Kernfrage in diesem Zusammenhang ist: „Führe ich Druckmessungen unter kontrollierten Bedingungen durch?“ Das bedeutet: Wenn der Anwender seine Messungen nahe der Referenztemperatur während der Kalibration (typ. 25 °C) durchführt, können die thermischen Effekte vernachlässigt werden. Die Angabe Gesamtfehler ist von Bedeutung, wenn die Druckmessung über einen weiten Temperaturbereich durchgeführt wird.

Schauen wir uns abschliessend noch ein Datenblatt zum piezoresistiven Drucktransmitter ATM.1st aus dem Hause STS an (Abbildung 4):

Abbldung 4: Ausschnitt aus einem Datenblatt (ATM.1st)

In den technischen Spezifikationen zum ATM.1st werden sowohl Genauigkeit als auch Gesamtfehler ausgewiesen. Die Genauigkeitsangaben sind für die jeweiligen Druckbereiche aufgeschlüsselt. Die bezifferten Werte ergeben sich aus Nichtlinearität, Hysterese und Nichtwiederholbarkeit bei Raumtemperatur. Ein Anwender, der Messungen unter kontrollierten Temperaturbedingungen (Raumtemperatur) durchführen möchte, kann sich daher an den angegeben Genauigkeitswerten orientieren.

Der im Datenblatt ausgewiesene Gesamtfehler bezieht hingegen thermische Effekte mit ein. Darüber hinaus ist der Gesamtfehler um die Angaben „typ.“ und „max.“ ergänzt. Erstere Angabe beschreibt den typischen Gesamtfehler. Nicht alle Drucksensoren sind absolut identisch, ihre Genauigkeit kann leicht variieren. Die Präzision der Sensoren entspricht der Gauss’schen Normalverteilung. Das bedeutet: 90% der Messwerte über den gesamten Druck- und Temperaturbereich eines Sensors entsprechen dem unter typischer Gesamtfehler ausgewiesenen Wert. Die restlichen Messwerte liegen im maximalen Gesamtfehler. 

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