Genauigkeit, Richtigkeit und Präzision:
Langzeitstabile Drucktransmitter sind ein Muss

Die Datenblätter der Hersteller von Drucktransmittern enthalten oft viele verschiedene Angaben zum Thema Genauigkeit. In den meisten Anwendungsfällen sind jedoch nicht alle Angaben relevant. In diesem Artikel wird erläutert, welche Angaben wann zu berücksichtigen sind. Zudem wird erklärt, weshalb langzeitstabile Drucktransmitter in anspruchsvollen industriellen Applikationen die Voraussetzung für die Kostenoptimierungen darstellt.

Genauigkeit = Richtigkeit + Präzision

Die Genauigkeit in der Messtechnik setzt sich zusammen aus der Richtigkeit und der Präzision. Mit der Richtigkeit sind die Annäherung des gemessenen an den wahren Wert, während die Präzision im Wesentlichen die Wiederholbarkeit des Messergebnisses unter identischen Bedingungen gemeint. Somit zeigt ein präzises Messinstrument bei jeder Messung den gleichen Wert an. Dieser Wert kann richtig oder falsch sein. Nur wenn dieser Wert richtig ist, ist das Instrument auch genau. Somit muss ein genaues Instrument sowohl richtig als auch präzise sein. Wann immer von Genauigkeit bei Messwerten gesprochen wird, ist eigentlich die maximale Messwertabweichung gemeint. Diese wird in Prozent der gesamten Messspanne angegeben. Diese maximal zulässige Messwertabweichung ist die Unsicherheit, mit der ein Messwert behaftet ist. Deshalb wird auch oft der Begriff Messunsicherheit oder Messwertunsicherheit gebraucht.

Temperatur beeinflusst den Messwert

Unterschiedliche äussere Faktoren haben einen Einfluss auf den Messwert. Deshalb werden in Datenblättern die entsprechenden Verursacher von Messunsicherheiten jeweils separat ausgewiesen. Bei Drucktransmittern ist neben der eigentlichen Druckmessunsicherheit die Temperatur der Haupteinflussfaktor auf die Messgenauigkeit. Einfachheitshalber wird meist eine Grundgenauigkeit bei Raumtemperatur (i.d.R. 20 - 25°C) gemacht. Zusätzlich werden dann noch die Fehler ausgewiesen, die durch höhere oder tiefere Temperaturen entstehen. Typischerweise werden sie in Prozent Abweichung pro 10 K ausgewiesen.
Es sind sowohl die Mediums- als auch die Umgebungstemperaturen, die einen erheblichen Einfluss auf den Messwert haben können. Wenn nun ein Transmitter ungefähr bei Raumtemperatur eingesetzt wird, kann der Temperatureinfluss vernachlässigt werden. Die wichtigsten Angaben bei Raumtemperatur sind Nullpunkt- und Endwertabweichung, sowie Nichtlinearität und Hysterese (meist in einem Wert als NLH zusammengefasst). Diese Abweichungen werden zusammengefasst - nicht addiert - in der Messwertabweichung bei Raumtemperatur (bei Trafag auch Genauigkeit @25°C genannt).

Messung der Druckänderung

Wenn in einer Anwendung vor dem eigentlichen Betrieb der Messwert des Drucktransmitters in der Steuerung auf Null gesetzt wird, ist für die Funktionalität der Maschine de facto nur die NLH relevant. Denn durch das Nullsetzen wird der Nullpunkt-Fehler - und damit auch oft ein grosser Teil der Endwertabweichung - für die konkrete Anwendung eliminiert. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn ein Pumpendruck überwacht wird und in der Steuerung alle Messwerte beim Aufstarten auf Null gesetzt werden - dies, sofern der Pumpendruck beim Starten der Anlage immer 0 bar beträgt.

Wenn nur die Druckänderung für die Steuerung der Maschine benötigt wird, ist ebenfalls nur die NLH entscheidend. Bei hydraulischen Steuerungen (oder auch bei Pumpen) soll bei einer bestimmten Abweichung vom Sollwert eine Aktion hervorgerufen werden, beispielsweise die Pumpe wieder eingeschaltet oder ein Ventil geöffnet werden, um den anliegenden Druck in einem eng kontrollierten Fenster zu halten. Somit ist der effektive Druck beim Wunschzustand – ob er beispielsweise nun tatsächlich 10.0 bar oder 9.98 bar beträgt - von untergeordneter Bedeutung; denn die meisten Maschinen werden bei der Inbetriebnahme auf bestimmte Basisparameter individuell eingestellt. Somit spielt nur noch die Präzision - also im Wesentlichen die NLH inkl. Reproduzierbarkeit - eine Rolle. Die absolute Richtigkeit ist zweitrangig. In den meisten anderen Fällen, wo nicht nur Präzision, sondern auch Genauigkeit gefragt ist, sind sowohl Nullpunkt- und Endwertabweichung als auch NLH relevant. Somit kommt die Angabe zur Messwertabweichung bei Raumtemperatur zum Tragen.

Statische und dynamische Temperatureinflüsse

Mit den temperatur-induzierten Fehlern verhält es sich ähnlich: Wird der Transmitter nach Erreichen einer statischen Betriebstemperatur in der Steuerung auf null gesetzt, oder - was deutlich häufiger ist - geht es nur um die Regelung bei Abweichungen von einem Sollwert unter gleichen Bedingungen, beispielsweise bei der Inbetriebnahme, ist der Temperaturfehler des Transmitters von untergeordneter Bedeutung. Die Messwertabweichung des Drucktransmitters aufgrund des Temperatureinflusses wird ebenfalls in Offset- und Hysterese-Effekte unterteilt. Bei nicht-statischen Temperaturverhältnissen in einer Anwendung sind zumindest die Hysterese-Effekte immer relevant. Ob nun die Temperatur-Effekte der Druckmessung kompensiert werden müssen oder nicht, muss bei der Produktauswahl berücksichtigt werden. Denn die Kompensation von Temperatureinflüssen bei einem Drucktransmitter bedeutet in der Herstellung einen Mehraufwand, der sich im Produktpreis niederschlägt.

Messung des genauen Druckwerts

Wenn in einer Anwendung der genaue Druckwert gemessen werden muss - beispielsweise in einer Lastüberwachung, bei welcher auf die wirkenden Kräfte geschlossen werden soll - und dies auch unter wechselnden Temperaturverhältnissen erfolgen muss, ist das Gesamtfehlerband (TEB Total Error Band) entscheidend. Hier sind alle Einzelabweichungen zusammengeführt. Da der Gesamtfehler mit zunehmender Abweichung von der Raumtemperatur zunimmt, sind in den Trafag Datenblättern diese Angaben einerseits auf die Endwerte des kompensierten Temperaturbereichs bezogen ausgewiesen. Andererseits wird die Angabe des Gesamtfehlers über den Einsatztemperatur-Verlauf in einer Grafik dargestellt.

Alterung, Materialmüdigkeit und Verschleiss

Alle Spezifikationen der Hersteller beziehen sich auf Ex-Works Bedingungen. Mit zunehmender Einsatzdauer der Drucktransmitter nimmt in der Regel die Abweichung der Messwerte zu, aufgrund von Alterungserscheinungen, Materialermüdung und Verschleiss.
Dieser Prozess ist sehr individuell und hängt von den Anwendungsbedingungen, der eingesetzten Sensortechnologie und dem Design und der Qualität des Transmitters als Ganzes ab. Während die von Trafag entwickelte Dünnfilm-auf-Stahl Technologie ein asymptotisches Langzeitdrift-Verhalten aufweist, das sich auf einem Wert unterhalb des dreifachen Ein-Jahres-Wertes einpendelt, gibt es Wettbewerbsprodukte, die bei Lebensdauertests eine über viele Jahre fast lineare, manchmal sogar progressive Zunahme der Messwertabweichungen zeigen. Insbesondere eine erhöhte Temperatur manifestiert sich in einem erheblichen Einfluss auf die Langzeitstabilität. Wenn beispielsweise ein Drucktransmitter mit einem Ex-Works Genauigkeitswert von 0.3% eingesetzt wird, kann dieser - selbst bei geringen Driftraten wie 0.1% pro Jahr - bereits so nach vier bis fünf Jahren unbrauchbar sein. Für hochwertige und teure Maschinen und Anlagen muss die Lebensdauer und Langzeitstabilität eines Drucktansmitters besonders hoch sein. Denn ein Betriebsunterbruch – oder sogar ein Betriebsausfall – führt schnell zu hohen Kosten. Aus diesem Grund muss ein Drucktransmitter ausgewählt werden, bei welchem die Genauigkeit über Jahre hinweg garantiert ist. Die Kosten bei der Beschaffung von Drucktransmittern zu senken, ist somit fehl am Platz.

Langzeitstabilität der Sensortechnologie

Hier kommt der Vorteil der Trafag Drucktransmitter zum Tragen: Im ersten Jahr weist sie typischerweise unter 0.1% Drift auf. Selbst nach zehn Jahren weichen die Messwerte meist weniger als 0.3% vom Auslieferzustand ab.
Weil es keine genormten Tests oder Prüfkriterien gibt, hat Trafag einige forcierte Lebensdauertests etabliert, die sehr effizient die Schwachstellen von Instrumenten aufzeigen. Einer der härtesten Tests ist der Lastwechseltest, bei welchem 20 Millionen Lastzyklen mit mindestens 1.5 fachem Nenndruck gefahren werden. Nur die wenigsten Drucktransmitter von Mitbewerbern können Instrumente anbieten, die diesen Test überstehen, ohne dass der Sensor beschädigt wird. Trafag Dünnfilm-auf-Stahl-Sensoren hingegen wiesen selbst nach dem 20 Millionen-Lastwechsel-Test eine Drift von deutlich weniger als 0.05% auf; d.h. sie blieben praktisch im Originalzustand und waren unbeschädigt.
Für Hersteller von Maschinen und Anlagen, die über viele Jahre korrekt und störungsfrei funktionieren sollen, ist es von höchstem Interesse, dass die von ihnen verbaute Sensorik auch nach jahrelangem Einsatz unter härtesten Bedingungen stets einwandfrei funktioniert. Denn in industriellen Anwendungen sind Genauigkeit, Richtigkeit und Präzision mit einer hervorragenden Langzeitstabilität des Messsignals ein Muss.

Extremtests mit Lastwechseln zeigen, dass nach 10 bzw. 20 Millionen Zyklen und doppeltem Nenndruck die Sensoren von Trafag noch immer stabil sind und meist weniger als 0.1 % vom Anfangswert abweichen.