Rückführung bei der Kalibrierung von Druckmessumformern

Rückführung bei der Kalibrierung von Druckmessumformern

Mechanische, chemische und thermische Belastungen lassen die Genauigkeit eines Druckmessumformers mit der Zeit abnehmen. Daher sollten sie regelmässig kalibriert werden. In diesem Zusammenhang spielt der Begriff Rückführung eine wichtige Rolle.

Bei der Kalibrierung von Druckmessumformern geht es darum, deren Präzision zu überprüfen und veränderte Messwerte frühzeitig zu erkennen. Eine Kalibrierung findet somit vor einer Justierung statt, bei der eventuelle Funktionsstörungen behoben werden. Eine Kalibrierung wird unter Zuhilfenahme eines Referenzgerätes (Normal) vorgenommen. Die Genauigkeit dieses Referenzgeräts muss zu einem nationalen Normal rückführbar sein, um wichtigen Normenreihen wie EN ISO 9000 und EN 45000 zu entsprechen.

Die Kalibrierhierarchie

Um eine Vergleichbarkeit der Messergebnisse zu gewährleisten, müssen sich diese über eine Kette von Vergleichsmessungen auf ein nationales Normal rückführen lassen. Wenn wir uns diese Hierarchie als Pyramide vorstellen, so nimmt die Genauigkeit aufsteigend zu. An der Spitze steht das nationale Normal, wie es die Nationalen Institute für Metrologie nutzen. In Deutschland ist dies die für das Messwesen zuständige Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB). Bei dem Bezugsnormal (auch Primärnormal) handelt es sich in der Regel um eine Druckwaage. Mit einer Messunsicherheit von < 0,005% bietet sie die grösstmögliche Genauigkeit.

Um ihrem Auftrag nachzukommen, Wissenschaft und Wirtschaft Dienstleistungen im Bereich der Kalibrierung anzubieten, arbeitet die PTB mit akkreditierten Kalibrierlaboratorien zusammen. Diese nutzen Werks- oder Gebrauchsnormale, die in regelmässigen Abständen mit den Bezugsnormalen der nationalen Institute kalibriert werden. Gebrauchsnormale stehen in der Hierarchie direkt unter den Bezugsnormalen und weisen eine typische Messunsicherheit von > 0,005 % bis 0,05 % auf. Werksnormale, wie sie auch im Rahmen der Qualitätssicherung bei der Fertigung eingesetzt werden, haben eine typische Messunsicherheit von > 0,05 % bis 0,6 %. Auf der niedrigsten Stufe der Hierarchie befinden sich innerbetriebliche Prüfgeräte

Jedes dieser Referenzgeräte wird mithilfe des in der Hierarchie nächsthöheren Normals kalibriert. Die Messunsicherheit des Normals sollte dabei drei- bis viermal geringer sein als die des zu kalibrierenden Referenzgeräts.

Das innerbetrieblich genutzte Prüfgerät muss auf das nationale Normal zurückgeführt werden können. Rückführung beschreibt also den Prozess, bei dem die Anzeige eines Messgerätes in einer oder mehreren Stufen – je nachdem um welche Art Gerät es sich dabei handelt – mit einem Primärnormal für die betreffende Messgrösse verglichen werden kann. Die Deutsche Akkreditierungsstelle (DakkS) hat für eine Rückführung folgende Elemente festgelegt:

  1. Die Vergleichskette darf nicht unterbrochen werden (z.B. indem eine Stufe übersprungen wird und ein Prüfgerät direkt mit dem Bezugsnormal verglichen wird).
  2. Die Messunsicherheit muss für jede Stufe der Kette bekannt sein, damit die Gesamtunsicherheit für die komplette Kette berechnet werden kann.
  3. Jeder einzelne Schritt der Messkette muss dokumentiert werden.
  4. Jede Stelle, die einen oder mehrere Schritte der Rückführung durchführt, muss ihre Kompetenz durch entsprechende Akkreditierungen nachweisen können.
  5. Die Vergleichskette muss bei Primärnormalen zur Darstellung der SI-Einheiten enden.
  6. In regelmässigen Abständen müssen Nachkalibrierungen durchgeführt werden. Die Zeitabstände hängen von einer Vielzahl Faktoren ab, unter anderem der Gebrauchshäufigkeit sowie der Gebrauchsart.

Detailliertere Informationen zur Rückführung von Mess- und Prüfmitteln auf nationale Normale stellt die DAkkS hier zur Verfügung.

Kalibrierung von Drucktransmittern

Kalibrierung von Drucktransmittern

Aufgrund mechanischer, chemischer oder thermischer Einflüsse verändert sich die Genauigkeit eines Messgeräts im Laufe der Zeit. Dieser Alterungsprozess ist normal und lässt sich nicht ausschliessen. Daher ist es wichtig, diese Veränderungen rechtzeitig mithilfe einer Kalibrierung zu erkennen.

Die Kalibrierung von Druckmessgeräten ist aus verschiedenen Gründen wichtig: Einerseits geht es um die Einhaltung von festgelegten Normen wie ISO 9001, um nur eine herauszugreifen. Anderseits ergeben sich für Hersteller auch ganz konkrete Vorteile, wie Prozessverbesserungen und Kosteneinsparungen (beispielsweise durch die Verwendung korrekter Mengen von Rohstoffen). Das kann sich richtig lohnen: Laut einer 2008 von der Nielsen Research Company durchgeführten Studie kosten fehlerhafte Kalibrierungen produzierenden Unternehmen im Schnitt 1,7 Millionen Dollar im Jahr. Darüber hinaus muss die Kalibrierung auch als zentraler Bestandteil der Qualitätssicherung angesehen werden. In einigen Branchen wie der chemischen Industrie sind regelmässige und fehlerfreie Kalibrierungen auch ein sicherheitsrelevanter Faktor.

Definition: Kalibrierung, Justierung und Eichung

Die Begriffe Kalibrierung, Justierung und Eichung werden oftmals synonym verwendet. Alle drei Begriffe weisen jedoch signifikante Unterschiede auf. Bei einer Kalibrierung wird die Anzeige des zu prüfenden Messinstruments mit den Ergebnissen eines Normals verglichen. Ein Normal ist ein Referenzgerät, dessen genaue Funktion als gesichert gilt. Durch Vergleichsmessungen muss jedes Messgerät in einer Kette von Vergleichsmessungen auf ein nationales Normal zurückgeführt werden können („Rückführbarkeit“). Als Primärnormale, also die in der Kalibrierhierarchie ganz oben stehende Normale, dienen für Druckmessgeräte in der Regel Druckwaagen (auch Kolbenmanometer), die in nationalen Instituten und Kalibrierlaboren eingesetzt werden.

Bei der Justierung (auch Justage) findet ein Eingriff in das Messgerät statt, um Messabweichungen zu minimieren. Man versucht also, durch Alterung entstandene Ungenauigkeiten zu korrigieren. Einer Justierung geht somit im Regelfall eine Kalibrierung voraus. Es erfolgt demnach ein direkter Eingriff am Messinstrument. Auf eine Justierung erfolgt daher auch eine weitere Kalibrierung, um die Korrektur zu überprüfen und zu dokumentieren.

Beim Eichen handelt es sich um eine besondere Form des Kalibrierens. Sie findet immer dann Anwendung, wenn das zu prüfende Gerät einer Eichpflicht unterliegt. Dies trifft immer dann zu, wenn die Messgenauigkeit im öffentlichen Interesse liegt. Das ist immer dann der Fall, wenn die Messergebnisse direkten Einfluss auf den Preis eines Produktes haben. Als ein Beispiel sind hier Durchflussmessgeräte an Zapfsäulen zu nennen. In Deutschland liegen Eichungen im Verantwortungsbereich von den Landeseichämtern und staatlich anerkannten Prüfstellen.

Die Kalibrierung von Druckmessgeräten: Bedingungen

Vor einer Kalibrierung muss die Kalibrierfähigkeit des Messgerätes festgestellt werden. Der Deutsche Kalibrierdienst (DKD) hat die Richtlinie DKD-R 6-1 zur Kalibrierung von Druckmessgeräten herausgegeben. Bei der Kalibrierung mechanischer Druckmessgeräte verlangt der DKD einige Tests, die sich in Beschaffenheitsprüfungen (u.a. Sichtprüfung auf Beschädigungen, Kontamination und Sauberkeit, Sichtprüfungen hinsichtlich Beschriftung) und Funktionsprüfungen (Dichtheit des Leitungssystems des Kalibriergegenstandes, Elektrische Funktionsfähigkeit, einwandfreie Funktion der Bedienelemente) gliedern.

Gleich im folgenden Kapitel der Richtlinie DKD-R 6-1 weist der DKD auf die Umgebungsbedingungen der Kalibrierung hin: So ist die Kalibrierung bei einer stabilen Umgebungstemperatur vorzunehmen. Darüber hinaus gilt es als ideal, wenn sie unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen des Messgeräts durchgeführt wird.

Die Kalibrierung von Druckmessgeräten: Ablauf

Ist die Kalibrierfähigkeit festgestellt und sind die Umgebungsbedingungen ideal, kann die Kalibrierung beginnen. Das Druckmessgerät ist dabei möglichst als Gesamtheit (Messkette) zu kalibrieren. Auch die vorgeschriebene Einbaulage soll berücksichtigt werden.

In der Richtlinie DKD-R 6-1 des DKD werden für unterschiedliche Genauigkeitsklassen verschiedene Kalibrierabläufe beschrieben. An dieser Stelle beschränken wir uns auf Kalibrierablauf A für die Genauigkeitsklasse < 0,1. Dieser Kalibrierablauf ist auch der umfangreichste.

Kalibrierabläufe nach DKD-R 6-1 Richtlinie

Bei der Kalibrierung von Geräten der Genauigkeitsklasse A schreibt der DKD drei Belastungen bis zum Messbereichsendwert vor, bevor die eigentlichen Messreihen erfolgen. Der maximale Druck muss dabei jeweils 30 Sekunden gehalten und wieder vollständig abgebaut werden.

Im Anschluss werden durch eine kontinuierliche Druckerhöhung neun gleichmässig über den Messbereich verteilte Punkte angesteuert. Dabei gilt der Nullpunkt als erster Messpunkt. Die anvisierten Messpunkte müssen „von unten“ erreicht werden. Folglich kann die Druckerhöhung nur langsam erfolgen. Wird der anvisierte Messpunkt übertroffen, kommt es aufgrund der Hysterese zu einer Verfälschung der Resultate. In diesem Fall muss der Druck drastisch verringert werden, um den zu erreichenden Messpunkt von unten zu erreichen. Ist der Wert erreicht, muss auch dieser für mindestens 30 Sekunden gehalten werden, bevor er abgelesen wird.

Dieses Verfahren wird für alle weiteren Messpunkte durchgeführt. Der Endpunkt stellt eine Besonderheit dar: Er wird für weitere zwei Minuten gehalten und dann erneut abgelesen und dokumentiert.

Ist dies geschehen, erfolgt der zweite Teil der ersten Messreihe. Diese läuft nun umgekehrt. Jetzt werden die einzelnen Messpunkte von oben nach unten anvisiert. Der Druck soll dabei nur langsam gesenkt werden, damit der angepeilte Wert dieses Mal nicht unterschritten wird. Die zweite Messreihe endet mit dem Messen des Nullpunkts.

Die zweite Messreihe beginnt, nachdem das Messgerät drei Minuten im drucklosen Zustand war. Der Zyklus des Auf- und Abdrückens über die einzelnen Messpunkte wird nun wiederholt.

Kalibrierablauf A nach DKD-R 6-1 Richtlinie

Innerbetriebliche Kalibrierung von Drucktransmittern

Bei den meisten industriellen Anwendung ist eine Kalibrierung durch ein Kalibrierlabor nicht nötig und oftmals auch nicht praktikabel. Für die Kalibrierung von Druckmessgeräten vor Ort eigenen sich tragbare Druckkalibratoren. Diese sind zwar nicht so präzise wie eine Druckwaage, dennoch in der Regel vollkommen ausreichend. In diesen mit einer Hand tragbaren Geräten sind Gebrauchsnormal und Druckerzeugung vereint. Bei der Kalibrierung eines Drucktransmitters wird nach Aufbau der Druckverbindung und elektrischen Verbindung zwischen Transmitter und Prüfgerät bei geöffneten Ventilen ein Nullpunktabgleich durchgeführt. Die einzelnen Druckprüfpunkte können dann mit der integrierten Pumpe angesteuert werden. Die entstehenden elektrischen Signale werden gemessen und über die integrierten Datenlogger gespeichert. Ausgelesen werden die Daten dann an einem PC.