Die Genauigkeit der Druckmessung verstehen

Selbst die besten Messgeräte weisen eine gewisse Abweichung vom tatsächlichen Wert auf. Es ist wichtig zu wissen, wie diese Messgenauigkeit definiert ist. In diesem Artikel werden die Grundprinzipien der verschiedenen Messabweichungen und deren Definition erläutert. Bei vielen Druckmessumformern wird die Gesamtgenauigkeit als Prozentsatz der Messspanne angegeben. Die Gesamtgenauigkeit ist ein kombinierter Effekt von:

• Nichtlinearität
• Hysterese:
• Nullpunktverschiebung und Messspannenfehler
• Endwertabweichung

Diese verschiedenen Faktoren, die die Genauigkeit beeinflussen, werden in den folgenden Abschnitten im Detail erläutert.

Inhaltsübersicht

• Charakteristische Kurve
• Maximaler Messfehler
• Nichtlinearität
• Hysterese
• Nullpunktverschiebung und Messspannenfehler
• Nicht-Wiederholbarkeit
• Temperaturfehler
• Temperatur-Hysterese
• Langfristige Drift

Charakteristische Kurve

Die Kennlinie stellt das Verhältnis zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal dar. Im Idealfall hängt das Ausgangssignal linear vom Eingangssignal ab. Dies würde bedeuten, dass die Kennlinie eine gerade Linie ist. Dies ist jedoch nicht der Fall, die Kennlinie weicht von der idealen Geraden ab.

Die Genauigkeit wird häufig als die Abweichung der Kennlinie von der Ideallinie definiert. Die Genauigkeit von Drucksensoren ist unterschiedlich definiert. IEC 61298-2 besagt, dass die Genauigkeit Hysterese, Nicht-Wiederholbarkeit und Nicht-Linearität umfassen sollte. Zur Ermittlung des Gesamtmessfehlers werden auch andere Abweichungen berücksichtigt. Diese Messfehler werden normalerweise als Prozentsatz der Spanne definiert (z. B. ±1 % der Spanne). Die Spanne ist definiert als die Differenz zwischen dem minimalen und dem maximalen Signalwert. Die Spanne eines 4-20-mA-Signals beträgt zum Beispiel 16 mA.

Maximaler Messfehler

Eine Möglichkeit, die Genauigkeit zu definieren, ist die Betrachtung des maximalen Messfehlers. Der maximale Messfehler ist die maximale Abweichung der Kennlinie von der Ideallinie bei einer bestimmten Temperatur.

Nichtlinearität

Als Nichtlinearität wird die größtmögliche Abweichung (positiv oder negativ) der Kennlinie von einer Bezugsgeraden bezeichnet. Es gibt verschiedene Methoden zur Bestimmung der Bezugsgeraden. Die Terminal-Methode und die Best-Fit-Line-Methode (BFSL) sind die am häufigsten verwendeten Methoden. Bei der Klemmenmethode verläuft die Bezugslinie durch den Anfangs- und Endpunkt der Kennlinie. Die BFSL-Referenzlinie wird nach der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. Die Terminal-Methode führt in der Regel zu einer doppelt so großen Abweichung wie die BSFL-Methode. Beim Vergleich von Messgeräten ist es wichtig zu prüfen, ob die gleiche Methode verwendet wird.

Hysterese:

Die Kennlinie wird durch schrittweise Erhöhung des Drucks und anschließende schrittweise Verringerung des Drucks aufgenommen. Die Aufzeichnung wird zeigen, dass die Linien für den Druckanstieg und den Druckabfall nicht genau übereinstimmen. Die maximale Differenz zwischen diesen beiden Kurven wird als Hysterese bezeichnet. Die Hysterese wird durch die elastischen Eigenschaften des Instrumentenmaterials und die Konstruktion der Instrumente selbst verursacht. Dieser Fehler kann durch den Benutzer nicht reduziert werden. Wenn geringere Hysteresefehler erforderlich sind, muss der Hersteller kontaktiert werden.

Nullpunktverschiebung und Messspannenfehler

Der Null- und Endpunkt des Ausgangs kann vom Null- und Endpunkt der Ideallinie abweichen. Der Nullpunktsfehler und der Spannefehler sind die Abweichungen zwischen den tatsächlichen und den idealen Werten des Null- und Endpunkts des Signals.

Nicht-Wiederholbarkeit

Das Ausgangssignal für aufeinanderfolgende Messungen desselben Druckwerts ist nicht immer genau gleich. Diese Variabilität oder dieser Fehler wird als Nicht-Wiederholbarkeit bezeichnet. Sie ist definiert als die größte Abweichung bei drei aufeinanderfolgenden Messungen unter konstanten, identischen Bedingungen (IEC 61298-2), oder einfacher: die Differenz zwischen dem kleinsten und dem größten Wert der aufeinanderfolgenden Ausgangssignale. Ein zuverlässiges Instrument oder ein zuverlässiger Sensor sollte eine geringe Nicht-Wiederholbarkeit aufweisen.

Temperaturfehler

Die Temperatur hat einen direkten Einfluss auf das Ausgangssignal. Temperaturänderungen beeinflussen die Elektronik des Messgerätes. Mit steigender Temperatur nimmt der elektrische Widerstand von leitfähigen Metallen zu, während er bei Halbleitern abnimmt. Außerdem dehnen sich die meisten Materialien aus, wenn die Temperatur steigt.

Gegenmaßnahmen

Um den Temperaturfehler zu minimieren, gleichen die Hersteller die thermischen Eigenschaften aus. Diese Kompensation erfolgt direkt auf dem Sensor oder elektronisch. Der Temperaturfehler kann nicht vollständig eliminiert werden. Der Restfehler wird üblicherweise als Prozentsatz der vollen Spanne für einen bestimmten Temperaturbereich in Bezug auf eine Referenztemperatur angegeben.

Temperatur-Hysterese

Neben dem Temperaturfehler gibt es auch eine Temperaturhysterese. Die Temperaturhysterese ähnelt der normalen Hysterese, aber hier wird sie durch einen Temperaturanstieg und -abfall anstelle von Druckänderungen verursacht.

Langfristige Drift

Die Kennlinie eines Messgerätes ist nicht über seine gesamte Lebensdauer konstant. Die Eigenschaften verändern sich im Laufe der Zeit durch mechanische und thermische Einflüsse. Diese langsame Veränderung der Merkmale über einen langen Zeitraum wird als Langzeitdrift bezeichnet. Die Langzeitdrift wird durch Tests ermittelt. Da die verschiedenen Hersteller unterschiedliche Testverfahren verwenden, sollten die Angaben zur Langzeitdrift nicht miteinander verglichen werden. Die Tests werden unter Referenzbedingungen durchgeführt. Dies kann zu erheblichen Unterschieden führen, wenn die Betriebsbedingungen von den Referenzbedingungen abweichen.