Präzise Druckmessumformer

Im Zusammenhang mit Druckmessumformern ist \’Messgenauigkeit\‘ ein sehr flexibler Begriff, da er in Datenblättern für eine ganze Reihe von Merkmalen verwendet wird: von der Linearitätsabweichung über die Hysterese bis zum Temperaturkoeffizient des Nullpunkts und der Ausgangsspanne. Überdies definieren einige Hersteller die Genauigkeit unterschiedlich, sprechen dabei jedoch von typischen Werten, was dazu führt, dass viele individuelle Druckmessumformer von den festgelegten Werten abweichen. Ein und derselbe Begriff beschreibt daher nicht die gleiche Art von Messgenauigkeit, was wiederum zu Missverständnissen bei den Anwendern führt. Dadurch werden Parameter wie Temperaturfehler, die einen größeren Einfluss auf die Genauigkeit ausüben, zu wenig beachtet, wenn es um die Wahl eines Drucksensors geht. Aber gerade eine interne Temperaturkompensation bietet ein großes Potenzial, um die Genauigkeit von Drucksensoren zu erhöhen. Eine genauere Betrachtung dieser Faktoren ist vor allem in hydraulischen Anwendungen mit großen Temperaturbereichen sinnvoll, wie beispielsweise in Getrieben von Schienenfahrzeugen oder Baumaschinen, wo die Folgen einer falschen Entscheidung in Bezug auf die Messgenauigkeit von eingeschränkter Rentabilität einer Maschine bis hin zu gefährlichen Fehlfunktionen reichen können. Die Genauigkeit eines Druckmessumformers kann mithilfe der Kennlinienabweichung, des Temperaturfehlers und des Gesamtsummenfehlers beschrieben werden. Der Gesamtsummenfehler umfasst alle Ungenauigkeiten eines Sensors einschließlich des Kompensationsfehlers, sodass dieser Fehlerwert eine gute Basis für die Wahl eines Drucksensors ist. Baumer gibt für seine Druckmessumformer den Gesamtsummenfehler mit seinen Maximalwerten an. Kennlinienabweichung Die Kennlinienabweichung war noch bis vor einigen Jahren die üblichste Fehlerwertangabe. Sie fasst Hysterese, Linearitätsfehler und die Abweichung der Reproduzierbarkeit zusammen und vergleicht diese mit der Sollkennlinie. Die maximale Abweichung ergibt den Wert der Kennlinienabweichung. Durch die Kombination mehrerer Abweichungen zu einem Wert kann der Anwender die Genauigkeit eines Druckmessumformers auf einfache Weise einschätzen. Dieser Wert dient heutzutage zur Einordnung in Genauigkeitsklassen, wobei zwischen der Endwertkalibrierung einerseits und der Toleranzband- bzw. Nullpunktmethode (BFSL: Best Fit Straight Line) andererseits unterschieden wird. So kann ein Sensor, der nach der Nullpunktmethode eine Kennlinienabweichung von 0,15% der Messspanne aufweist, bei einer endwertbasierten Einstellung eine Kennlinienabweichung von 0,3% der Messspanne haben. Bei einem Druckmessumformer mit einem Nennwert von 10bar kann die unterschiedlich basierte Kennlinienabweichung somit einen Unterschied von 15mbar ausmachen. Bei der Endwertkalibrierung wird eine Gerade (Sollkennlinie) durch Anfangs- und Endpunkt gelegt und mit der gemessenen Kennlinie verglichen. Bei der Toleranzbandmethode wird die Ausgleichgerade als Mittellinie von zwei parallelen Geraden bestimmt, die so gelegt werden, dass alle Messpunkte zwischen ihnen liegen. Bei der Nullpunktmethode (BFSL) stimmt die gemessene Kennlinie im Nullpunkt mit der idealen Kennlinie überein und verläuft so, dass die Abweichung ein Minimalprinzip verfolgt. Die nach der Toleranzband- oder Nullpunktmethode ermittelte Nichtlinearität ist dadurch meist um den Faktor zwei kleiner als der nach der Endwertkalibrierung ermittelte Wert. Temperaturfehler Die Kennlinienabweichung wird bei Raumtemperatur (20°C) bestimmt und kalibriert. Dazu kommt jedoch die temperaturabhängige Drift, die die Genauig­keit eines Druckmessumformers stark beeinflusst, wenn die Arbeitstemperatur höher oder niedriger ist. In Anwendungen mit extremen Betriebstemperaturen kann die Temperaturdrift die Kennlinienabweichung um ein Vielfaches übersteigen, weshalb es wichtig ist, diesen Einfluss zu berücksichtigen. Diese Drift wird mithilfe des Temperaturkoeffizienten (TK) im Verhältnis zur absoluten Temperatur in Kelvin angegeben. Dabei müssen die Temperaturkoeffizienten des Nullpunktes (TK-Nullpunkt) und der Messspanne (TK-Messspanne) addiert werden, um den gesamten Temperaturfehler zu berechnen. In modernen Hochleistungs-Druckmessumformern wird die Temperaturdrift elektronisch kompensiert, womit sich der Einfluss der Temperatur auf das Messergebnis reduzieren lässt. Druckmessumformer mit einer elektronischen Temperaturkompensation eignen sich vor allem für Anwendungen im Freien. So müssen Drucksensoren in einem Zuggetriebe, einem Kran oder einem Bagger bei allen Temperaturen genau und reibungslos arbeiten. Gesamtsummenfehler Da sich die tatsächliche Genauigkeit mithilfe der Kennlinienabweichungen nur schwer beschreiben lässt, und außerdem der Fehler aufgrund der Temperaturdrift einen großen Einfluss hat, bestimmt Baumer den Gesamtsummenfehler für seine Druckmessumformer und bietet Messgeräte mit Temperaturausgleich an, die den Gesamtsummenfehler über einen bestimmten Betriebstemperaturbereich angeben. Außerdem wird der Gesamtsummenfehler während der Herstellung durch zusätzliches Kalibrieren in einem Temperaturschrank reduziert. Die grafische Darstellung des Gesamtsummenfehlers hilft dem Anwender, den Einfluss der Temperaturdrift in seiner eigenen Anwendung leicht zu ermitteln. Nur durch die Bestimmung des Gesamtsummenfehlers erhält der Anwender eine korrekte Angabe von Messabweichungen. Das ermöglicht die erfolgreiche Planung und den Bau von Maschinen und hilft Fehleinschätzungen zu vermeiden. Aufgrund der Angabe des Gesamtsummenfehlers lassen sich außerdem Sensoren besser miteinander vergleichen. Für solch anspruchsvolle Anwendungen eignet sich die Hochleistungs-Version der PB-Serie von Baumer aufgrund ihrer hohen Genauigkeit über einen kompensierten Temperaturbereich von -40 bis 85°C. Der Druckbereich kann von 0 bis 100mbar bis zu 0 bis 1.600bar reichen. Je nach Kundenanforderungen ist der Druckmessumformer mit einer Genauigkeit von 0,5%, 0,25% und 0,1% erhältlich. Bei der größtmöglichen Genauigkeit (0,1% bei 20°C) liegt der Gesamtsummenfehler über den kompensierten Temperaturbereich zwischen -40 und 85°C bei ±0,4% der Messspanne. Aus dem Datenblatt ist der Gesamtsummenfehler für die jeweilige Genauigkeitsklasse ersichtlich, und der Kunde kann die Messabweichung für jeden Betriebstemperaturbereich daraus entnehmen. Wie unterschiedlich der Wert des Messfehlers in einer realen Anwendung sein kann, zeigt das Beispiel einer Baggerschaufel, deren Last über den Differenzdruck gemessen wird. Der Nennwert des Drucksensors (150bar) entspricht einer Ladung von 500kg. Der Temperaturbereich liegt zwischen 20 und 70°C. Eine Kennlinienabweichung von 0,1% der Messspanne entspricht einem Messfehler von 0,15bar bzw. 0,5kg. Ein Temperaturfehler von 0,02%/K führt hier zu einem Messfehler von 1,5bar bzw. 5kg. Damit ist der temperaturbedingte Fehler zehn Mal höher als die Kennlinienabweichung. Steht solch einem konventionellen Sensor ein Highend-Druckmessumformer mit Temperaturkompensation gegenüber, kann dieser trotz höherer Kennlinienabweichung (z.B. 0,3%) einen geringeren Gesamtsummenfehler (z.B. 0,5%) aufweisen, wodurch die Messabweichung über den gesamten Temperaturbereich bei nur 2,5kg liegt. Mit der Betrachtung des Gesamtsummenfehlers lässt sich somit ein aussagekräftigerer Vergleich von Druckmessgeräten erstellen als alleine mit einer Gegenüberstellung von Kennlinienabweichungen.